geotecnia en construcción especializada

8/11/2019 Geotecnia en Construccin Especializada

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MANUAL DE AGUA POTABLE,ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

GEOTECNIA EN CONSTRUCCIN ESPECIALIZADA

JUNIO, 2002

SUBDIRECCIN GENERAL TCNICA

GERENCIA DE INGENIERA BSICAY NORMAS TCNICAS


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DIRECTORIO

CRISTBAL JAIME JQUEZ

Director GeneralDR. FELIPE I. ARREGUN CORTSSubdirector General Tcnico

ING. JESS CAMPOS LPEZSubdirector General de Construccin

LIC. MARIO ALFONSO CANT SUREZSubdirector General de Administracin del Agua

ING. CSAR HERRERA TOLEDOSubdirector General de Programacin

ING. CSAR O. RAMOS VALDSSubdirector General de Operacin

ING. CSAR L. COLL CARABIASSubdirector General de Administracin

La Comisin Nacional del Agua contrat la elaboracin deeste libro tcnico con el:

INSTITUTO DE INGENIERA DE LA UNIVERSIDADNACIONAL AUTNOMA DE MXICOSegn Convenio No. CONV-UNAM-SGT-GIBNT-003/2000 del

15 de junio de 2000.

La coordinacin estuvo a cargo de la Subdireccin General Tcnica a travs de la Gerencia de Ingeniera Bsicay Normas Tcnicas.

ING. ENRIQUE MEJA MARAVILLAING. RAL CARRANZA ESLAVA


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CONTENIDO Pgina

PRLOGO................................................................................................

1. INTRODUCCIN.............................................................. 12. ESTRUCTURAS DE CONTENCIN PARA

EXCAVACIONES......... 32.1. Tipos de excavaciones.................................. 3

2.1.1. Excavaciones a cielo abierto.................................. 32.1.2. Excavaciones entibadas o ademadas....................... 3

2.2. Principales tipos de elementos de soporte ................. 42.2.1. Tablaestacas............................................................. 42.2.2. Ataguas................................................................... 62.2.3. Muros colados in situ y muros prefabricados............. 8

2.3. Tcnicas de excavacin, apuntalamiento y anclaje..... 102.3.1. Mtodo del ncleo central......................................... 102.3.2. Apuntalamiento pared a pared............................... 102.3.3. Uso de la subestructura como sistema de soporte ........... 102.3.4. Otras tcnicas............................................................. 10

2.4. Procedimiento constructivo de algunos muros............. 102.4.1. Proceso de construccin de muros Miln.................... 102.4.2. Proceso de construccin de muros prefabricados...... 22

2.5. Anlisis y verificacin de la seguridad..................... 272.5.1. Consideraciones generales.................................... 272.5.2. Anlisis de la estabilidad del fondo................... 322.5.3. Experiencias en el diseo geotcnico de muros Miln en

la ciudad de Mxico.............................. 352.5.4. Estabilidad de trincheras con lodo................... 45

3. ABATIMIENTO DEL NIVEL FRETICO Y CONTROLDE FILTRACIONES EN EXCAVACIONES...................... 59

3.1. Introduccin....................................................... 593.2. Mtodos de bombeo.......................................... 60

3.2.1. Zanjas y cunetas........................................ 603.2.2. Tablaestacado y bombeo abierto............... 603.2.3. Zanjas y pozos profundos.......................... 613.2.4. Sistema de pozos punta........................ 623.2.5. Drenaje con pozos profundos................... 643.2.6. Drenaje horizontal............................. 653.2.7. Sistemas de abatimiento por vaco................ 653.2.8. Drenaje por electro-smosis................ 663.2.9. Mtodos miscelneos para el abatimiento de agua.... 67

3.3. Tipos de bombas utilizadas................ 683.3.1. Bombas sumergibles............................ 683.3.2. Bombas de pozos punta...................... 68


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3.3.3. Bombas tipo eyector................................................. 683.4. Mtodos para el abatimiento de agua en suelos por

medio de pozos de bombeo.................................. 693.4.1. Introduccin.................................................................. 693.4.2. Pozos individuales.......................................... 69

3.4.3. Pozos con penetracin parcial............................. 723.4.4. Radio de influencia................................................... 743.4.5. Consideracin de varios pozos en el clculo del

abatimiento...74

3.4.6. Efectos de un pozo cerca de un depsito de agua....... 763.4.7. Pozos de recarga.............................................. 793.4.8. Flujo no establecido en pozos.............................. 803.4.9. Radio de influencia en el flujo no establecido en pozos.... 82

4. ESTABILIZACIN DE TALUDES.................................... 854.1. Criterios para la seleccin de tcnicas de estabilizacin... 854.2. Mtodos de estabilizacin de taludes............. 85

4.2.1. Cambio de la geometra............................... 854.2.2. Bermas y contrafuertes...................................... 874.2.3. Empleo de materiales estabilizantes............... 884.2.4. Empleo de estructuras de retencin.................. 904.2.5. Empleo de pilotes................................................ 934.2.6. Anclajes......................................................... 944.2.7 Soil nailing 1004.2.8. Proteccin de taludes contra la erosin......................... 101

4.3. Anlisis y verificacin de la seguridad................... 1024.3.1. Taludes en suelo............................................ 1024.3.2. Taludes en roca.................................................... 113

5. MEJORAMIENTO DE SUELOS.............. 1235.1. Criterios para la seleccin del mtodo de mejoramiento

del suelo..................................................................... 1235.2. Mtodos para el mejoramiento de suelos............ 123

5.2.1. Preconsolidacin del subsuelo........................ 1235.2.2. Inclusiones.................................................... 1305.2.3. Inyecciones.................................................... 1355.2.4. Sustitucin.................................................. 1405.2.5. Consolidacin dinmica..................................... 140

5.2.6. Vibrocompactacin.......................................... 1415.2.7. Geotextiles y geomembranas............................... 1415.2.8. Estabilizacin trmica................................... 142

6. PROGRAMAS DE CMPUTO.......................... 143

6.1. Programas de cmputo........................................ 1436.1.1. Anlisis de estabilidad de taludes........................... 1436.1.2. Clculo de esfuerzos y deformaciones..................... 144


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PRLOGO

Las obras de infraestructura y en particular aquellas que se refieren al suministro deagua potable (captacin, conduccin y distribucin de agua, plantas potabilizadoras y

de tratamiento, sistemas de alcantarillado y saneamiento, etc.) deben con frecuenciaconstruirse en suelos que presentan propiedades fsicas, mecnicas e hidrulicasmediocres y una gran heterogeneidad, lo que puede ocasionar una gran diversidadde problemas constructivos y de comportamiento posterior. El anlisis y laconstruccin de obras en estas condiciones deben realizarse por mtodosespecializados, basados en principios avanzados de la Mecnica de Suelos, pocousuales en la ingeniera prctica.

Para llevar a cabo el anlisis y diseo geotcnico de este tipo de obras, es necesarioque el proyectista cuente con una herramienta que le permita tener acceso ainformacin tcnica presentada en forma resumida y clara. En general, los conceptosespecializados de la Mecnica de Suelos se encuentran diseminados en una grandiversidad de libros y artculos tcnicos. Por esta razn, se ha considerado tilreunirlos en un manual que constituya un documento de referencia para losingenieros de proyecto y constructores y, an ms, contribuya a normar hasta ciertopunto las soluciones dadas a los problemas ms comunes que se presentan duranteel diseo y construccin de este tipo de obras.

Por todo lo anterior, en este manual se proporcionan elementos para la solucin dediversos problemas de gran importancia en la Geotecnia en ConstruccinEspecializada:

? El diseo de estructuras de contencin en excavaciones.? El abatimiento del nivel fretico y el control de filtraciones en excavaciones.? La estabilizacin de taludes.? El mejoramiento de suelos.

Se incluyen definiciones generales, mtodos de anlisis, procedimientosconstructivos y diversas especificaciones y recomendaciones relacionadas con lostemas anteriores que sern de gran utilidad a los diseadores y constructores.


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1 INTRODUCCIN

Las obras de infraestructura requieren frecuentemente la ejecucin de excavaciones.Puede tratarse de operaciones relativamente simples, como en el caso de

excavaciones para alojar zapatas para la cimentacin de una edificacin o tuberasde conduccin de agua o drenaje para una poblacin. Cuando se trata de obras msimportantes como crcamos de bombeo, tanques de regulacin, estructuras deproteccin, etc., la excavacin resulta en general ms delicada, sobre todo cuandose combinan condiciones de gran profundidad con la presencia de suelos inestables,especialmente en zonas costeras. Realizar este tipo de excavaciones por mtodostradicionales puede, en muchos casos, no ser posible o resultar excesivamentecostoso.

Es comn, por otra parte, que exista la necesidad de abatir el nivel fretico ycontrolar las filtraciones, para poder construir subestructuras. Esta operacin tambin

es delicada. As, en el valle de Mxico, se sabe que el bombeo realizado paracontrolar las filtraciones puede ocasionar procesos de consolidacin que a su vezgeneran asentamientos diferenciales y daos en las estructuras vecinas.

Otro problema de gran importancia en la prctica de la ingeniera geotcnica es laestabilizacin de los taludes de terraplenes para presas y caminos, muros deretencin y canales para riego u obras de conduccin de agua potable.

Con cierta frecuencia es, por otra parte, necesario recurrir al mejoramiento de lossuelos, en particular en zonas costeras donde existen suelos muy compresibles odepsitos recientes de suelos granulares susceptibles de licuarse en condiciones

ssmicas.

Los problemas anteriores solamente pueden resolverse satisfactoriamenterecurriendo a tcnicas especializadas basadas en principios slidos, a vecesavanzados, de la Mecnica de Suelos. En los captulos del presente manual, se habuscado por tanto presentar en forma clara y concisa toda la informacin bsica quese considera til para la aplicacin de estas tcnicas.


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2. ESTRUCTURAS DE CONTENCIN PARA EXCAVACIONES

La cimentacin de la mayor parte de las estructuras se desplanta a una profundidadimportante debajo de la superficie del terreno y es comn que se requiera laexcavacin del suelo o roca hasta el nivel de desplante. En suelos permeables

ubicados abajo del nivel fretico, es necesario desaguar el lugar para proceder a laconstruccin. Las excavaciones profundas en suelos blandos presentan por otraparte un difcil reto para los ingenieros (Auvinet y Romo, 1998).

Se han desarrollado una gran variedad de tcnicas de construccin y de sistemas desoporte para las excavaciones.

2.1 TIPOS DE EXCAVACIONES

2.1.1 Excavaciones a cielo abierto

Las excavaciones poco profundas pueden hacerse sin sostener el materialcircunvecino y dejando simplemente taludes adecuados, siempre que exista elespacio suficiente para ello. La inclinacin de los taludes es funcin del tipo de sueloo roca, de la homogeneidad de las capas y su competencia, del flujo de agua, de lasvibraciones, de las condiciones climticas, de la profundidad de la excavacin y deltiempo que esta vaya a permanecer abierta. El talud mximo que un suelo puedepresentar depende de la resistencia al esfuerzo cortante del mismo. Si existe arcillablanda abajo del nivel de la base de la excavacin, es necesario tomar lasprecauciones necesarias para evitar el bufamiento del fondo. Las arcillas durasdesarrollan comnmente grietas cerca de la superficie del terreno, las cuales, si sellenan de agua, pueden ocasionar fallas en los taludes, debido a que la presinhidrosttica reduce el factor de seguridad de los mismos.

2.1.2 Excavaciones entibadas o ademadas

Es comn que las edificaciones por construir se extiendan hasta los linderos de lapropiedad o sean adyacentes a predios en los que ya existen estructuras. Bajo estascircunstancias, las paredes de las excavaciones deben hacerse verticales yusualmente requieren algn tipo de sistema de soporte.

Para estos fines, se han desarrollado diversos tipos de ademes, tales como losmuros tipo Berln, muros colados in situ (muros Miln), pilotes secantes, muros

prefabricados, tablaestacas, ataguas, pantallas plsticas, etc., los cuales secombinan con algn sistema de apuntalamiento o anclaje.


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2.2 PRINCIPALES TIPOS DE ELEMENTOS DE SOPORTE

2.2.1 Tablaestacas

Los muros tablaestacados estn formados por una lnea de elementos planoshincados en el suelo e interconectados. Son estructuras flexibles, cuya estabilidad sederiva del anclaje que se desarrolla en la parte empotrada del elemento, o se logracon un sistema de tirantes y bloques de anclaje, o bien, por el soporte proporcionadopor un sistema de puntales.

En el pasado, los muros tablaestacados se construan de madera; sin embargo, en laactualidad, se utilizan principalmente tablaestacas de concreto reforzado o metlicas.Estas ltimas presentan una alta relacin entre resistencia y peso. Los tipos de

tablaestacas metlicas comnmente empleados, son lo que se muestran en la Figura2.1. Las tablaestacas en forma de Z son las que tienen mayor resistencia. Porconsiguiente, en excavaciones poco profundas, se utilizan comnmente lastablaestacas de los tipos (a) y (b), y para excavaciones ms profundas o paraaquellas en las que se espera tener presiones muy grandes, se empleantablaestacas del tipo (c).

Figura No. 2.1 Tipos de tablaestacas metlicas comnmente empleadas

Cuando se encuentran dificultades para instalar las tablaestacas, puede requerirseuna perforacin previa a su colocacin. El flujo de agua y/o la intrusin de sueloblando a travs de juntas entre los elementos adyacentes puede ser un problema(Auvinet y Romo, 1998).

En la Figura 2.2 se muestra un sistema comn de colocacin de entibamiento. Sehinca el tablaestacado previamente a la excavacin; al avanzar la excavacin secolocan contra el tablaestacado elementos horizontales denominados largueros, yapoyados contra ellos (en sentido transversal) otros elementos denominadospuntales. Estos puntales pueden colocarse horizontalmente de lado a lado de laexcavacin, o bien, pueden ser inclinados y apoyarse en el fondo (Figura 2.3); sin


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embargo, para el empleo de stos ltimos, se requiere que el suelo en la base de laexcavacin sea lo suficientemente firme para que proporcione un soporte adecuadoa los miembros inclinados. Los puntales pueden ser de madera o metlicos. Se hanempleado tambin, para el soporte de los muros tablaestacados, sistemas de anclajeque quedan sujetos en el terreno detrs de la entibacin. Una de las ventajas de

utilizar anclajes, es que mantienen la excavacin libre de obstculos, lo que facilita laconstruccin.

Figura No. 2.2 Excavacin entibada mediante tablaestacas

Figura No. 2.3 Excavacin con puntales inclinados


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2.2.2 Ataguas

Las ataguas son muros provisionales que se emplean para proteger una excavacinen zonas inundadas o cauces. Una de sus ms importantes funciones es permitir que

la obra se lleve a cabo en un lugar seco.Existen distintos tipos de ataguas:

a) Entramados de maderab) Ataguas de doble paredc) Ataguas celularesd) Ataguas de pared sencilla

a) Entramados de madera

Son sistemas de ataguas relativamente econmicos. Construidos en tierra, puedenllevarse flotando hasta el sitio deseado y luego hundirse mediante lastres de piedra.El lado del agua puede cubrirse con tablones para hacerlo impermeable (Figura 2.4).Para lograr una mayor impermeabilidad, pueden utilizarse dos filas de entramadospara apoyar dos caras de recubrimiento de madera dentro de los cuales se apisonaarcilla para formar un muro de lodo. El diseo de los entramados de madera debegarantizar una amplia seguridad contra volteo y deslizamiento.

b) Ataguas de doble pared

Para encerrar grandes reas, pueden erigirse en el agua ataguas de doble pared.Constan de dos filas de tablaestacas atirantadas entre s. El espacio interior se llenacon arena (Figura 2.5). Estas ataguas son generalmente ms impermeables que lasde una sola pared y pueden utilizarse a mayores profundidades. Para una mayorestabilidad, puede colocarse un espaldn contra la cara exterior de la atagua.Adems, se le debe dar proteccin contra la erosin. Si la atagua descansa sobreroca, puede colocarse tambin un espaldn del lado interior, si es necesario paraevitar el deslizamiento, el volteo o esfuerzos cortantes excesivos. Sobre arena, sedebe colocar un espaldn amplio, para que el agua siga lneas de corriente largasantes de entrar a la atagua. O bien, en lugar de utilizar un espaldn ms amplio,pueden espaciarse ms las paredes de la atagua. Aunque esto es ms costoso,tiene la ventaja de que la parte superior del relleno puede utilizarse para lainstalacin de la edificacin y el equipo de construccin.


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Figura No. 2.4 Entramado de madera con lastre de piedra

Figura No. 2.5 Atagua de doble pared

c) Ataguas celularesSe utilizan en la construccin de presas, esclusas, muelles y pilas de puentes. Sonadecuadas para encerrar grandes reas en aguas profundas. El ancho medio de unaatagua celular sobre roca debe ser de 0.7 a 0.85 veces la altura del agua exterior(Figura 2.6d). Al igual que las ataguas de doble pared, cuando estn construidas


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sobre arena, las ataguas celulares deben tener un amplio espaldn en el interior.Las celdas se forman con tablaestacas de acero unidas. Un tipo de celda consta dearcos circulares conectados por diafragmas rectos (Figura 2.6a). Otro tipo consta deceldas circulares conectadas por arcos circulares (Figura 2.6b). Otro tipo es el detrbol, que consta de grandes celdas circulares subdivididas por diafragmas rectos

(Figura 2.6c). Estas celdas se rellenan con arena. La resistencia al corte interno de laarena contribuye sustancialmente a la resistencia de la atagua. Por esta razn, noes conveniente rellenar una atagua con arcilla o limo.

Figura No. 2.6 Atagua celular de tablaestacas

d) Ataguas de pared sencilla

Forman un encerramiento con una sola fila de tablaestacas. Si no hay problemas deagua, se construyen con pilotes en hilera (cantiliver verticales) con tabloneshorizontales de madera. Cuando se tiene presencia de agua, la atagua puedeconstruirse con tablaestacas. An cuando requieren menos material por unidad quelas ataguas celulares o de doble pared, las de pared sencilla generalmente

requieren arriostramiento en el interior.2.2.3 Muros colados in situ y muros prefabricados

Los muros-diafragma colados en el lugar (o muros Miln) son paredes de concretocolado en trincheras estabilizadas con lodo. Los muros diafragma fueron introducidos


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en la ciudad de Mxico para la construccin de las primeras lneas del sistema delmetro en 1967 y han recibido una gran aceptacin desde entonces (Auvinet y Romo,1998).

Los muros prefabricados colocados en trincheras estabilizadas con lodo, son una

alternativa de los muros diafragma, que est volvindose muy popular. Loselementos de los muros prefabricados se colocan en una trinchera estabilizada conuna lechada de bentonita-cemento. Las principales ventajas de esta tcnica son lacalidad de la superficie de la pared y su menor espesor final comparado con losmuros diafragma. Su principal limitacin es el peso de los elementos prefabricados.

Los muros Miln y prefabricados son particularmente tiles en obras que se realizanen espacios limitados en zonas urbanas, en donde no se permiten los altos nivelesde ruido y vibraciones ocasionadas por el hincado de tablestacas o pilotes; enexcavaciones en las que se requiere el abatimiento del nivel fretico limitado ycontrolado para no inducir efectos negativos por bombeo y en consecuencia,

fenmenos de prdida de presin de poro y hundimientos diferenciales con daos delas estructuras aledaas a la excavacin. Asimismo, son muy tiles en excavacionesque presentan paredes verticales.

Los principales usos de estos muros son los siguientes:

? Como estructura de retencin en excavaciones? Como elementos de lastre para contrarrestar la subpresin a la que pueden estar

sometidos los cajones de cimentacin.

? Como elementos de capacidad de carga en cimentaciones profundas.? Como pantallas plsticas impermeables.? Como estructuras aislantes de ruido y vibracin.? Se le utiliza en la construccin de pasos a desnivel, lumbreras, estacionamientos

y bodegas subterrneas.

La construccin de edificaciones con varios niveles de stanos, en zonas urbanas,implica la ejecucin de excavaciones cada vez ms difciles. El valor que poseen losterrenos justifica el empleo de procesos especiales que garanticen la seguridad delas excavaciones. Dentro de estos procesos, el muro colado in situ ocupa unaposicin primordial y el muro prefabricado es una alternativa.


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? Construccin de muro gua? Excavacin de tramo de zanja estabilizada con lodo? Colocacin de armaduras? Juntas con tubos metlicos? Vaciado del concreto con tubera tremie

a) Muros-gua (pre-trinchera) o brocales

Esta estructura tiene de 1 a 1.5 m de altura y un ancho ligeramente superior al delfuturo muro y, por lo general es de concreto armado o acero. Tiene las siguientesfunciones:

? Materializa la implantacin, permite marcados y nivelaciones.? Sirve de apoyo para las maniobras (tubo de junta, armaduras).? Sirve de reserva de lodo al principio de la perforacin.? Asegura la estabilidad del suelo en la superficie.? Sirve de gua a los equipos de excavacin.? Sirve de sustento cuando los suelos superficiales presenten problemas de

estabilidad.

En la Figura 2.7 se presentan los detalles constructivos para el colado de brocales.

b) Excavacin de tramos de zanja

Desde el inicio de la excavacin debe inyectarse lodo para evitar la socavacin de la

boca de la trinchera. Al sacar la herramienta con suelo, debe evitarse la cada dedetritus y dejar escurrir el lodo sobrante en la zanja. Otro aspecto importante durantela excavacin de la trinchera es cuidar la verticalidad de la herramienta deexcavacin, evitando desviaciones o inclinaciones en la trinchera, garantizando laverticalidad del muro. No se debe dejar la trinchera totalmente excavada yestabilizada por mucho tiempo, no ms de 24 hrs. antes de colar el muro.

Se utilizan diferentes equipos segn los terrenos y las especificaciones:retroexcavadora, almeja con cable, almeja con kelly e hidrofresa. Los anchos varande 0.50 m a 1.50 m pero los anchos usuales son de 0.60 a 0.80 m. Son comunes lasprofundidades de 35 m, un equipo kelly puede alcanzar los 65 m, y la hidrofresa 100

m. Se construyen generalmente paneles yuxtapuestos: primero de orden impar yluego de orden par. La dimensin de los paneles elementales vara de 2 a 20 m;comnmente la longitud es de 5 a 6 m. Las formas ms sencillas en trazado enplanta son las mejores para la calidad del trabajo terminado.


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Ancho muroMiln

Acm

Hcm

Bcm

acm

ecm

60 65 150 50 10 1080 85 150 50 10 10

Figura No. 2.7 Colado de brocales

b.1) Seleccin del equipo

Dependiendo de la profundidad de las zanjas y de las caractersticas de los suelos sedetermina el equipo ms adecuado para la excavacin.

Retroexcavadoras: estos equipos son recomendables para zanjas de profundidad nomayor de 7 m, aunque existen mquinas de este tipo de mayor alcance. Presentanalgunas ventajas con relacin a otros equipos como su facilidad de movimiento,trnsito y posicionamiento, rapidez de operacin y menor costo (Figura 2.8).


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Figura No. 2.8 Excavacin de zanjas con retroexcavadora.

Almejas libres auto-guiadas: Estos equipos fueron de los primeros que sedesarrollaron con el objetivo especfico de excavar zanjas profundas. Estnintegrados por dos quijadas operadas por medio de cables y un cuerpo metlico quele sirve de gua para mantener el alineamiento y la verticalidad durante laexcavacin; generalmente estn montadas sobre dragas. Tienen la caracterstica deque pueden alcanzar grandes profundidades ya que slo dependen de la longitud delos cables que pueda manejar la gra. El diseo racional de una excavacin conalmeja libre o autoguiada debe tomar en consideracin los siguientes aspectos:

? Tipo de suelos por excavar? Peso de la almeja, abertura de las quijadas, posicin y tipo de los dientes de

ataque, empleo de cables adecuados?

Libre paso del fluido empleado para estabilizar las paredes de la excavacin atravs de la almeja? Longitud del cuerpo gua para garantizar la verticalidad y mecanismo de descarga

y limpieza de las quijadas

En la Figura 2.9 se muestra un esquema de una almeja libre autoguiada. Para suoperacin se requiere de brocales que le sirvan de gua.

Almeja hidrulica guiada: Esta mquina consta de una almeja operadahidrulicamente fijada a una barra metlica deslizante llamada kelly que sirve de gua

y control de la verticalidad del sistema. Se recomienda para excavacin de zanjas ensuelos duros en donde el peso del Kelly, el de la almeja y la capacidad de corte quele proporciona el equipo hidrulico a las quijadas, incrementan su eficiencia yvelocidad de ataque. Estos equipos van montados sobre dragas de 45 o mstoneladas de capacidad y pueden alcanzar profundidades del orden de los 30 m(Figura 2.10).


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Figura No. 2.9 Almeja libre autoguiada operada con cables

Figura No. 2.10 Almeja hidrulica guiada


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b.2) Esquema de un sistema de excavacin

La excavacin de un panel, por ejemplo de 6 m de longitud, se realiza como sigue:primero se excavan las porciones laterales y finalmente la central, con el propsito de

lograr simetra y conservar la verticalidad. El tablero puede tener las siguientescaractersticas:

? Tablero independiente confinado por tubos junta, muros anterior y posterior noconstruidos.

? Tablero que liga, en ambos extremos hay muros construidos y tienen la edadmnima necesaria para soportar la maniobra de limpieza de sus juntasmachihembradas.

? En uno de los extremos se tiene tubo junta y en el otro muro.

La manera ms ordenada y eficiente de construir un muro Miln es como se indica

en el esquema de la Figura 2.11. Consiste en una primera etapa de avance, la cual,se detiene cuando los muros iniciales alcanzan la edad mnima, en ese momento elequipo de excavacin y colado retrocede para iniciar la segunda etapa de avance,que es la construccin de tableros intermedios.

1 7 3 9 5

6 2 8 4 10

Figura No. 2.11 Secuencia de avance de los muros Miln

c) Colocacin de las armaduras

Los aceros especiales y verticales deben dejar entre s un espacio libre de 10 a 15cm

para el paso del concreto. Con la finalidad de garantizar una buena cobertura lateral,las armaduras deben tener un ancho inferior al de la pared en unos 10 cmaproximadamente. Son necesarios centradores (rodillos o patines) y elementos deizado (asas, rigidizadores) para manipular y posicionar la armadura. Una vezcolocada la parrilla se debe amarrar al brocal por medio de unas orejas, para evitarsu flotacin durante el colado.


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a) Manejo de armados

b) Anclaje del acero de refuerzo

Figura No. 2.12 Detalle de la colocacin de armaduras


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a) Rodillos de concreto (pollos fijos)

b) Tubulares (patines)

Figura No. 2.13 Centradores

d) Vaciado del concreto (colado)

El concreto para un muro Miln no se vibra nunca. Se hace el colado con una tuberatremie (columna de vaciado o trompa) bajo agua o lodo (Figura 2.14). La operacinde vaciado no debe ser interrumpida: debe hacerse en una sola operacin.

El proceso se inicia con la introduccin y armado de las lneas de tubera, de 8, 10

o 12, segn el ancho de la trinchera. El tubo debe llegar hasta 20 o 30 cm arriba delfondo de la excavacin, para vaciar la primera carga de concreto; antes de realizar elprimer vaciado debe colocarse un tapn (pelota) en el interior del tubo para que seaempujado por el concreto, desaloje el lodo y sirva como seguro para evitar lapenetracin del lodo. A continuacin se mencionan algunos puntos importantes deeste procedimiento:


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? El dimetro de la tubera debe ser entre 8" a 12" y su longitud de 3 m comomximo, Figura 2.15a. Debe ser lisa por dentro y por fuera para que el concretofluya libremente y evitar que se atore con el armado.

? Las uniones entre los tramos deben ser hermticas; no se debe permitir que ellodo o agua penetre a travs de ellas. Las cuerdas de cada tramo de tuberadeben estar en perfecto estado para facilitar las maniobras de acoplado ydesacoplado. Son recomendables las cuerdas de listn o trapezoidales.

? Antes de iniciar el colado se coloca un tapn deslizante dentro de cada lnea decolado que puede ser una pelota de vinilo, o de poliestireno, que impida lacontaminacin del concreto con el lodo o agua al inicio del colado (Fig. 2-15b).

? El extremo inferior de las lneas de colado debe permanecer ahogado en el

concreto cuando menos 1.5 m.

? El concreto debe elaborarse con agregados de 19 mm como mximo yrevenimiento de 18 ? 2 cm.

? El colado debe realizarse de manera continua evitando lapsos de esperaprolongados que provoquen taponamientos en la tubera por el fraguado inicialdel concreto.

e) Juntas

En la Figura 2.16 se observa un croquis de los elementos que comnmente seemplean para moldear las juntas de los tableros del muro Miln, para lograr elmachiembrado entre ellos. Son piezas generalmente metlicas que constan de uncuerpo tubular de seccin rectangular, de ancho igual al muro Miln, que sirve derespaldo y rigidizador a la parte de la junta que deja una huella en el concreto deltablero. Esta parte es trapezoidal y en algunos casos tiene un pequeo canal paraalojar una banda de PVC usada como sello entre tablero y tablero. Se aclara queestas juntas se emplean en tableros alternados. Se instalan inmediatamente despusde terminar la excavacin y antes de que se coloque el acero de refuerzo. Suextraccin debe realizarse al concluir el colado; es importante determinar el momentoen que es conveniente moverlas tomando en consideracin el fraguado del concreto

ya que pueden quedar atrapadas cuando el concreto se endurece o bien provocarque el concreto fluya hacia el hueco que deja la junta cuando se le levanta si an notiene la resistencia adecuada. Se recomienda obtener testigos de fraguado de cadaolla que se vace y cuidar el tiempo en que presente su fraguado inicial. En estemomento se podr mover ligeramente la junta para despegarla, repitiendo estaoperacin hasta que el concreto tenga auto-soporte y sean retiradas las juntas.


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Figura No. 2.14 Secuencia de construccin de tableros para muros Miln


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60 ? ? ? 80; 6 mm ? e ? 8 mm; 25cm ? d ?

30 cm y; 1.5m ? l ? 3.0m a) Tubera tremie b) Tapn deslizante

Figura No. 2.15 Detalles del colado

Figura No. 2.16 Junta de muros Miln


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Las propiedades tpicas de un lodo bentontico son:

Densidad 1.05 gr/cm3

Viscosidad Marsh 60 a 70 sProporcionamiento 7% (es decir, 70 kg de bentonita por cada m3de agua).

La regulacin de las dosificaciones permite la obtencin de las caractersticas finalesadaptadas al proyecto (resistencia, mdulo, estanqueidad). En general, el diseo dela mezcla se establece con base en ensayes de laboratorio. Asimismo, el proveedores quien debe dar las recomendaciones de dosificacin, equipo para el mezclado,surtido de los aditivos necesarios, etc, de acuerdo con el tipo de obra que se trate.

Prefabricacin de los elementos.- Pneles de concreto armado o pretensado(alambres adherentes). La prefabricacin tiene, generalmente, un carcter industrialo prefabricacin pesada, donde el peso de los elementos es de aproximadamente 40ton. El equipo de prefabricacin se encuentra algunas veces en obra, en casocontrario los elementos llegan a la obra sobre plataformas.

Forma de los elementos.- La economa de un proyecto justifica la simplificacin delas formas, las series de elementos idnticos. Es posible realizar sin embargo formascomplejas: reservacin, nicho, panel mixto concreto-metal, junta especial para laestanqueidad, enlucido y placas para conexiones.

Colocacin de los elementos.- Los elementos se manipulan con gra. Suspensionesmltiples permiten su descenso y ajuste a su posicin con seguridad. Aplicando cerasobre el elemento del lado de la excavacin se evita la adherencia de la lechada alconcreto durante la excavacin posterior. La colocacin sigue a la perforacin loantes posible. Las suspensiones permanecen colocadas hasta que el mortero hayaendurecido y sellado los elementos al terreno.

Juntas.- En la mayora de los casos se utilizan las del tipo waterstop hinchable(Figura 2.17). Los elementos de cada extremidad se moldean con una aberturacontinua en forma de ojo de cerradura. Esta abertura permite el paso de una piezametlica baja para el guiado y luego el paso del waterstop. Las dos bandas delwaterstop son huecas. Se pueden inyectar posteriormente con un mortero decemento de tal forma que haya un contacto estrecho entre el concreto y la junta.

Estanqueidad.-La estanqueidad depende de los siguiente factores:

? La capa continua de mortero que permanece del lado del suelo asegura unaproteccin; en los suelos gravo-arenosos, el mortero penetra en un gran espesor(hasta tres veces el volumen terico) y constituye de esta manera unaestanqueidad suplementaria.

? Se vibra el concreto de los elementos y puede aadirse un producto hidrfogo.


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a) Con avance modular

Esta tcnica fue desarrollada por la empresa francesa BACHY y, an se mantienevigente. El concepto de mdulo o tablero permite avances cortos en la excavacin dela zanja.

a.1) Excavacin de la zanja

Los tableros que se han construido experimentalmente han sido de hasta 8.0 m delongitud, para permitir la introduccin de tres piezas de 2.5 m de ancho y 0.5 m desobre-excavacin adicional para facilitar la maniobra de colocacin de la ltimapieza.

a.2) Descripcin de los muros

En general, consisten en una secuencia de piezas verticales de concreto precoladoensamblados con un gancho y placas gua, dentro de una zanja estabilizadainicialmente con lodo bentontico o polmero que, previamente a la colocacin de losmuros precolados, se sustituye con lodo fraguante que es capaz de endurecer hastaresistencias similares a las del suelo para soportar y confinar al muro en su posicin,y que constituye una barrera de baja permeabilidad que complementa al selloprincipal (que puede ser una banda de hule).

a.3) Manejo y desperdicio de lodos

Se debe tener especial cuidado en la sustitucin del lodo inicial por el lodo fraguante.Esta maniobra se hace en forma similar al tubo tremie o bien con una bomba delodos, para evitar la contaminacin que induce la mezcla de ambos fluidos. Eldesperdicio de lodos ocurre cuando es imposible recuperar todo el lodo inicial,aunque se tengan tanques de almacenamiento temporal, pero principalmente por eldesperdicio del lodo fraguante, que impacta todava ms econmicamente; eldesperdicio de este ltimo representa el 20% del volumen del mismo.

b) Con avance continuo

Esta tcnica fu desarrollada por la empresa francesa SOLETANCHE. Se ampla elconcepto de mdulo para establecer un procedimiento constructivo continuo conavances de excavacin largos y aprovechamiento mximo del equipo deconstruccin.

b.1) Excavacin de la zanja

La apertura de la zanja es continua, respetando la idea bsica de operacin simtricadel equipo de excavacin, la cual se logra avanzando alternadamente con la almejaen dos posiciones hacia adelante y hacia atrs (Figura 2.18).


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Suministro de lodo

1 1 3 2 5 4 7 6

Figura No. 2.18 Secuencia de excavacin en muros continuos

El lodo fraguante se agrega en el extremo delantero del tramo que se estrealizando, abriendo una zanja inicial somera que sirve como canal distribuidor yregulador del consumo gradual de lodo, lo que garantiza buena calidad. Lacapacidad estabilizadora del lodo fraguante basada en su mayor densidad, permiteexcavaciones seguras de gran longitud, haciendo factible separar el proceso deexcavacin de la zanja del proceso de colocacin de piezas prefabricadas; esto llevaa un proceso ms ordenado y eficiente. El manejo de lodo fraguante es ms simple ysu desperdicio es mnimo, ya que el lodo desplazado por la pieza de concreto seaprovecha en la continuacin de la excavacin.

b.2) Descripcin de los muros

Consisten en piezas prefabricadas, usualmente de 3.5 m de ancho, ensambladasmediante una junta impermeable, dentro de una excavacin estabilizada con lodofraguante con aditivo retardador de endurecimiento.


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2.5 ANLISIS Y VERIFICACIN DE LA SEGURIDAD

2.5.1 Consideraciones generales

Cuando se disean excavaciones profundas en suelos blandos, como los de la zonalacustre de la ciudad de Mxico, deben tomarse en cuenta ciertos estados lmite, quecorresponden a la aparicin de fenmenos inaceptables, tales como la expansinelstica excesiva del suelo durante el proceso de excavacin, o la posibilidad de fallade corte y de subpresin del fondo de la misma.

Por medio de la instrumentacin y de la observacin ha sido posible ponderar lainfluencia de diversos factores en la estabilidad de cortes profundos y en losmovimientos inducidos en las construcciones vecinas, y perfeccionar los mtodos deanlisis y de diseo.

De manera general, puede decirse que un proceso de excavacin en suelos blandosprovoca movimientos en el terreno circundante, tanto verticales como horizontales, que

inducen distorsiones angulares y movimientos diferenciales en las estructuras vecinas.Es por tanto necesario realizar predicciones confiables de la magnitud, distancia yprofundidad en la que se presentarn estos movimientos a fin de estimar los daosque potencialmente se les inducir a las estructuras adyacentes.

Los requerimientos de resistencia conducen a verificar que no se presente falla porcortante en el fondo de la excavacin, es decir que los esfuerzos inducidos por elproceso de excavacin no sean mayores que la resistencia al corte del suelo. Esto sepuede relacionar con la precarga que se aplica por medio de los puntales as como laprofundidad de excavacin; si la precarga es pequea, los desplazamientos lateralesson grandes y en consecuencia se generan zonas de plastificacin amplias, las cuales

pueden generar un mecanismo de falla generalizado.

a) Variables que influyen en los movimientos del terreno

Los movimientos que presenta un sistema de apuntalamiento y los que se inducen enel terreno circundante durante una excavacin profunda en suelos blandos soninfluenciados principalmente por los factores listados en la Tabla 2.1. As, lascondiciones del sitio, los detalles del sistema de soporte y las caractersticas delproceso constructivo deben establecerse con el fin de lograr un diseo adecuado de laexcavacin y una estimacin precisa de los movimientos del terreno circundante.


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Tabla No. 2.1 Factores que influyen en los movimientos del terreno

Condiciones del sitio:? Estratigrafa / perfil del suelo? Nivel de aguas freticas? Desarrollo histrico del sitio? Resistencia al corte del suelo blando? Detalles de las estructuras adyacentes (tipo y estado fsico)Sistema de soporte:

? Espaciamiento de los puntales (vertical y longitudinal)? Rigidez del sistema de apoyo (puntales y muro)? Ancho, profundidad de la excavacin y de empotramiento de la pata del muro?

Magnitud de la precarga? Empuje de tierras / reaccin de puntalesProceso constructivo:? Presin de poro inducida por un sistema de abatimiento del nivel de aguas

freticas? Geometra y condiciones de frontera? Secuencia y ritmo correcto de los eventos (tiempo de colocacin de los puntales

y plantilla)? Naturaleza y patrones de cargas impuestas

b) Comportamiento general de una excavacin

Los factores que provocan la inestabilidad de una excavacin apuntalada dependensobre todo del tipo de sistema de apoyo y de las condiciones del suelo. Paracondiciones no drenadas, una excavacin en suelos blandos pasa por diversas etapascrticas que pueden definirse en trminos del parmetro llamado nmero deestabilidad, N, N = ?TH / Su. Donde ?Tes el peso volumtrico del material localizadoentre la superficie del terreno y el fondo de la excavacin, H es la profundidad deexcavacin y Su es la cohesin no-drenada en la base de la excavacin. Existenciertos valores crticos del nmero de estabilidad, tal y como se indican en la Tabla 2.2.


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Tabla No. 2.2 Nmeros de estabilidad crticos

N Comportamiento caracterstico2 Respuesta elstica. Problemas con excavaciones no apuntaladas en

arcillas blandas

4 Problemas con excavaciones no apuntaladas en arcillas plsticas. No seestiman cargas para el muro de sostenimiento de acuerdo con las teorasclsicas de Rankine o Coulomb

6 Movimientos importantes se empiezan a desarrollar en excavacionesapuntaladas

8 Se desarrollan grandes zonas de plastificacin en el suelo

Graficando la relacin entre el nmero de estabilidad y la resistencia al corte nodrenada, Clough y Schmid (1977) desarrollaron la carta mostrada en la Figura 2.19.Esta carta permite catalogar, usando la profundidad de excavacin y el valor de laresistencia al corte no drenada en la base de la excavacin, la condicin de estabilidad

de una excavacin en suelos blandos en seis categoras, que van desde la respuestaelstica hasta grandes deformaciones. Puede verse fcilmente que el mtodo desoporte tiene una influencia importante en la profundidad a la cual empiezan apresentarse problemas de estabilidad. As, las condiciones marginales de estabilidaden suelos blandos, no pueden definirse nicamente en funcin de la resistencia delsuelo, sino que dependen del sistema de apoyo y del grado de movilizacin de laresistencia. Si estimamos un valor promedio de 3.0 t/m2para la resistencia no drenadade la arcilla de la ciudad de Mxico, se observa que la respuesta elstica se presentasolamente cuando la profundidad de excavacin no excede los 4.0 m. De aqu, sepuede concluir que los anlisis de excavaciones profundas en la ciudad de Mxico sedeben realizar utilizando un modelo de comportamiento elasto-plstico.

Figura No. 2.19 Carta de estabilidad para excavaciones apuntaladas, ? = 0(Clough et al. , 1977)


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c) Empujes

En general, los elementos de soporte tipo tablaestacas se consideran elementosflexibles, sin embargo los muros Miln y prefabricados presentan mayor rigidez que

las tablaestacas. Los diagramas de empuje tradicionales sobre tablaestacasapuntaladas en suelos no son necesariamente aplicables a ciertos suelosencontrados en Mxico. Los empujes de tierra en excavaciones pueden verificarsemediante el uso de las teoras clsicas de presin de tierras (estados de equilibrioplstico de Rankine) o aplicando la regla semi-emprica dada por R. B. Peck (1969),Terzaghi y Tshebotarioff; donde el empuje total mximo sobre los puntales puedecalcularse considerando un empuje lateral mximo, p, variable entre 0.2 y 0.4 de ?H(Figura 2.20).

Figura No. 2.20 Empujes totales

En arcillas blandas, la aplicacin de la regla emprica de Peck puede ser peligrosa. As,dada la escasa profundidad del nivel fretico en la ciudad de Mxico, el empuje total

dado por dicha regla suele ser inferior an al empuje hidrosttico. Cuando el nivelfretico es superficial, como en el caso de la ciudad de Mxico, y el nmero deestabilidad, N, es inferior a 4, se recomienda utilizar la siguiente expresin:

? hH4.0hp ww ?????? (2.1)


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Donde H es la profundidad de excavacin, h es la diferencia de elevacin entre el nivelfretico y el fondo de la excavacin, ?es el peso volumtrico del terreno saturado y, ?w es el peso volumtrico del agua. Cuando el coeficiente de estabilidad, N, de laexcavacin es superior a 4 (para el cual se forma cerca del fondo de la excavacin unazona plstica), es necesario basarse en una teora de falla para calcular las presiones

laterales.Con la teora clsica de Rankine, se obtiene un valor del empuje lateral total

??

?

?

??

?

?

??

??

H

S41

2

HP u

2

a (2.2)

Donde Sues la resistencia al corte en prueba no drenada y ?es el peso volumtrico delterreno.

d) Movimientos inducidos del terreno

Hay tres aspectos fundamentales del comportamiento de una excavacin profundasobre suelos blandos cuya prediccin tiene importancia prctica:

? La magnitud y distancia en la que se presentan los valores mximos de losmovimientos superficiales del terreno (asentamiento y desplazamiento horizontal enla vecindad);

? La magnitud y profundidad del desplazamiento final del muro de contencin y;? La magnitud del desplazamiento inmediato debido a remocin del suelo

(levantamiento del fondo de excavacin).

En la prctica, la evaluacin de los desplazamientos inducidos por excavacin, seefecta de manera emprica. El nico movimiento que se estima, razonablemente, esel levantamiento del fondo. Limitando este movimiento a un cierto valor, se espera queel asentamiento y el desplazamiento lateral del muro se encuentren dentro de lmitestolerables establecidos por los reglamentos de construccin.

e) Patrn general del movimiento del terreno

Clough y O'Rourke (1990) establecen el patrn general del movimiento del terreno enuna excavacin, como se muestra en la Figura 2.21. En las primeras etapas de laexcavacin, el movimiento del muro es en cantiliver y el desplazamiento lateralmximo ocurre en la cabeza del muro. El asentamiento en la vecindad de laexcavacin adopta una forma triangular y el valor mximo se presenta en el muro.Cuando la excavacin avanza, se incrementa el desplazamiento lateral del muropresentndose el mximo valor en el fondo de la excavacin, mientras que la cabezadel muro sufre un ligero incremento. En esta etapa, el asentamiento en la vecindadtoma una forma cncava y el valor mximo ocurre en un punto distante del muro.


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Finalmente, el desplazamiento lateral del muro se acumula y sigue una distribucinirregular con la ubicacin del valor mximo en el fondo de la excavacin. Elasentamiento final en la vecindad adquiere una forma trapezoidal.

Algunos escritos presentan anlisis paramtricos, mediante el mtodo de elementos

finitos bi y tridimensionales, de este tipo de obras geotcnicas, para la Zona del lagodel Valle de Mxico, (Rodrguez R., 1995; Monterroso B., 1995; Rodrguez R. 1998).

Figura No. 2.21 Patrn general del movimiento del terreno en las excavaciones

2.5.2 Anlisis de la estabilidad de fondo

El anlisis de la estabilidad del fondo de excavaciones apuntaladas en suelosblandos, se hace con base en una regla semi-emprica en la que se proporcionanvalores del coeficiente de estabilidad Nc para diferentes valores de las relaciones deprofundidad/ancho (H/B), y ancho/largo (B/L) (Figura 2.22). La variacin de Nc conrespecto a B/L es como sigue; si B/L = 1 el problema es tridimensional, mientras quesi B/L ? 0.2 el problema resulta bidimensional; es decir, en la Figura 2.22, la relacin

B/L = 0 se refiere a que L es muy grande comparada con B (no precisamente que Bsea igual a cero o que L ? ? ) y por tanto, el anlisis puede realizarse en dosdimensiones. La variacin de Nc con respecto a H/B es discutible y las discrepanciastericas al respecto entre Terzaghi, Tshebotarioff y otros, son significativas.


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h profundidad de laexcavacin

B ancho de la excavacinL longitud de la excavacinq sobrecarga superficialc cohesin de la arcilla? densidad de la arcillaNc coeficiente de estabilidadF.S. factor de seguridad

Figura No. 2.22 Estabilidad del fondo de una excavacin ademada

El factor fundamental de variacin de Nc, para problemas bidimensionales, es elestado de esfuerzos creado en el contorno de la excavacin por las precargas en lospuntales y las descargas generadas por la excavacin.

Si la excavacin es apuntalada y est precargada en toda su profundidad, eldesplazamiento del ademe se efecta hacia la masa de arcilla y se generanesfuerzos de compresin en la parte superior de la masa de suelo y de tensin en elfondo de la excavacin. Adems si H/B es grande la descarga vertical por remocindel material, incrementa la magnitud de la zona de tensin en la parte inferior de laexcavacin. En tal caso, la lnea de deslizamiento es como se muestra en la Figura2.23. Aplicando la teora de las lneas caractersticas se obtiene la siguiente relacin:

? ?H = (3? ? 2)c = 7.42 c

Si la excavacin est parcialmente precargada, evento que se presenta: 1) Cuandola precarga en su parte inferior es insuficiente ocasionando un pateo del muro decontencin. 2) Por razones constructivas el ltimo puntal se deja demasiado distante

del fondo de la excavacin 3) Durante la remocin del material se eliminan porerror la accin de los puntales inferiores. En estos casos se generan esfuerzos decompresin horizontales tanto en la parte inferior de la excavacin como en la partesuperior, la lnea de deslizamiento se localiza en la vecindad del muro, y elcorrespondiente coeficiente de estabilidad resulta igual a 6.28, es decir:


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? ?H = 2 ? ?c = 6.28 c

a) Falla de fondo de una excavacin

b) Coeficiente de estabilidad y condiciones constructivas-falla de fondo de una excavacin

Figura No. 2.23 Falla de fondo y coeficiente de estabilidad

De lo anterior se desprende que la variacin del coeficiente de estabilidad Nc, paraproblemas bidimensionales, est directamente relacionada con los mtodosconstructivos ms que con la geometra de la seccin de la excavacin, por lo que es


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Tabla No. 2.4 Factores de seguridad mnimos contra falla de la excavacin,zonas del lago y transicin baja

Mecanismo defalla

Factores de seguridad mnimos (FS)

General defondo

(FS)f ? 1.7

(FS)f ? 1.5

Cuando existan edificios susceptibles de sufrirdaos por asentamientos, en una distanciaigual al ancho de la excavacin.En los otros casos

Del fondo porsubpresin,

(FS)s? 1.3

Porempotramientodel muro decontencin

(FS)p? 1.5

Del talud deavance

(FS)t ? 1.5

(FS)t ? 1.7

(FS)t ? 1.3

Si el ciclo de excavacin-colado es menor de 48hrs.Si el ciclo de excavacin-colado es mayor de 48hrs.Si en el anlisis de estabilidad se considera laprdida gradual de resistencia de las arcillas con eltiempo y el efecto tridimensional (la cohesin autilizar en los anlisis valdr c = 0.8 c)

Anlisis de la sobrecompensacin y de la flotacin

Cuando se determinan las presiones de sobrecompensacin y de flotacin queactuarn durante la vida til del cajn, para verificar que las expansiones en lasuperficie a largo plazo no afecten a la estructura y a vecinos, los valores admisiblesde la presin de sobrecompensacin no debern exceder a los valores que seindican en la Tabla 2.5.

Debe revisarse que la presin hidrosttica al nivel del fondo de la excavacin, noexceda del 70% de la presin media transmitida por el peso de la estructura yrellenos a ese mismo nivel.


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Tabla No. 2.5 Valores admisibles de la presin de sobrecompensacin, Ps(COVITUR)

Subzona Ps mx. (t/m2)

Lago virgenLago centro I

Lago centro II

1.52.0

2.5

Anlisis de expansiones y asentamientos

Se deben estimar las expansiones y asentamientos en cada una de las etapasconstructivas del cajn y durante su vida til; en el clculo se analizarn lassiguientes deformaciones:

? Asentamiento por bombeo previo,? Expansin inicial asociada a la excavacin,? Asentamiento por recuperacin de las expansiones ocurridas durante la

construccin,? Expansin diferida final asociada a la absorcin de agua por la arcilla.

En cada caso particular se verificar que las expansiones y los asentamientos nodaen las instalaciones existentes ni afecten el funcionamiento de la obra,usualmente en las lneas del metro esto se logra cuando la expansin inicial y ladiferida son aproximadamente iguales entre s y no exceden de 20 cm.

a.2) Zona de Transicin

La estabilidad de la excavacin y el anlisis de expansiones y asentamientos seanaliza como en la zona del Lago.

En el anlisis de la sobrecompensacin y la flotacin, la presin desobrecompensacin no deber exceder los lmites indicados en la Tabla 2.6.

Tabla No. 2.6 Valores admisibles de la presin de sobrecompensacin, Ps,(Zona de Transicin)

Subzona Ps mx. (t/m2)Transicin bajaTransicin alta

2.5(sin lmite) > 2.5

Habr que revisar que la presin hidrosttica al nivel del fondo de la excavacin noexceda del 80 % de la presin media transmitida por el peso de la estructura y porrellenos a ese mismo nivel.


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a.3) Zona de Lomas

La estabilidad de la excavacin se analiza en funcin de los taludes de la excavacin

y el anlisis de la sobrecompensacin y la flotacin, no es significativo.b) Empujes horizontales (Zonas de Lago y de Transicin)

Se define el criterio de clculo de los empujes horizontales que actan a corto y largoplazo sobre el muro. Para un diseo preliminar, el manual de COVITUR presentaintervalos de los valores de las propiedades necesarias para los clculos que msadelante se presentan, para las tres zonas geotcnicas del Valle de Mxico.

Las hiptesis de clculo son:

?

El clculo de empujes horizontales sobre el muro se debe hacer para doscondiciones diferentes: a corto plazo, el empuje del suelo es activo dondeprevalece la resistencia no drenada del suelo y, a largo plazo, durante la vida til,los empujes actuantes corresponden a las condiciones de empuje en reposo,prevalece la resistencia drenada del suelo.

? Para las condiciones a corto plazo los empujes horizontales se calculan deacuerdo a la (Figura 2.24):

Figura No. 2.24 Diagramas de empujes horizontales a corto plazo


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Costra superficial:

P1= 0.65 (K a?1z1 2c 1) y Ka= tan2(45 - ? ?/2) (2.3)

Arcillas blandas, preconsolidadas y normalmente consolidadas:

P2= ?1z1 + 0.5 ?2z2 2c 2 (2.4)

El empuje general para toda la profundidad de la excavacin ser el promedio de losdos empujes anteriores:

??

??

21

2211

zz

zPzPP (2.5) ?

? Para las condiciones a largo plazo, durante la vida til del cajn, actan las

condiciones de empuje en reposo de los suelos de la Zona del Lago o Transicin(Figura 2.25).

Figura No. 2.25 Diagramas de empujes horizontales a largo plazo

? A los diagramas de empujes horizontales que resultan de las condicionesanteriores, se aaden las presiones laterales que ocasionan las cargas cercanasque existen en la superficie (Figura 2.26).


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d) Estabilidad de la excavacin (Zonas de Lago y de Transicin)

d.1) Falla general por el fondo

El factor de seguridad se calcula mediante las expresiones siguientes (Figura 2.27):

(FS)f = c (N c + 2 H p / L) / (?He+ p) (2.7)

Donde:

Nc 5.14 (1 + 0.2Hm/ B) (1 + 0.2 B/L) Factor de estabilidad.c Valor medio de la resistencia al corte no drenada de la arcilla,

hasta una profundidad igual a Hm+ B.Hm Profundidad de desplante del muro.Hp Longitud de la pata del muro.

B Ancho de la excavacin.L Longitud del tramo a excavar.?He Presin total inicial al nivel mximo de excavacin.p Valor de las presiones de sobrecarga en la superficie.

La ecuacin anterior es vlida para las siguientes condiciones:

Hm/ B ? 2.5 y B / L ? 1

Para valores mayores, estas relaciones se consideran constantes e iguales a sulmite superior (2 y 1 respectivamente). El trmino 2Hp / L toma en cuenta la

influencia de la profundidad de la pata en la estabilidad del fondo, esta influenciadebe despreciarse cuando sea menor que 0.5

En caso de que el factor de seguridad no sea admisible, ser necesario limitar lalongitud de avance de la excavacin o aumentar la profundidad del muro Miln.


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Figura No. 2.27 Caractersticas geomtricas de la excavacin.

d.2) Falla del fondo por subpresin

El factor de seguridad contra falla de fondo por efecto de la subpresin ejercida enestratos de arena profundos se expresa como (Figura 2.28):

(FS)s = (P + S) / U (2.8)

Donde:P Peso saturado del prisma de suelo bajo el fondo.S Fuerza cortante resistente en las caras verticales del prisma de fondo.U Fuerza total de subpresin en la base del prisma del fondo.

Considerando las propiedades del suelo y la geometra de la excavacin, la ecuacinanterior conduce a:


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(FS)s = [ ?h f B L + 2c(B h f + L h p)] / (?w hw B L) (2.9)

Donde:

hf Distancia entre el fondo de la excavacin y el estrato resistente.

hP Distancia entre el nivel de desplante del muro y el estrato de arena.

hw Altura piezomtrica en el estrato de arena.

En caso de que el fondo de la excavacin sea de seccin cuadrada, la ecuacinanterior se simplifica:

(FS)s = [ ?h f + 2c{( h f + h p )/ B}] / ( ?w hw ) (2.10)

Si el factor de seguridad para subpresin no es adecuado ser indispensable abatirla presin hidrulica en las capas de arena profundas mediante bombeo.

Figura No. 2.28 Mecanismo de falla de fondo por subpresin

d.3) Falla por el empotramiento de la pata del muro (pateo)

Esta falla consiste en el pateo del muro de contencin al vencerse la resistencia delsuelo frente al muro. Considerando que al nivel del ltimo puntal colocado en cadaetapa de la excavacin se genera una articulacin plstica, el factor de seguridad seevala con la siguiente expresin (Figura 2.29):

2D

p

MlWLrc)FS(2

pp

??? (2.11)

Donde:c resistencia al corte no drenada media en la superficie de falla


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L longitud de la superficie de fallar radio de la superficie de fallaW peso saturado del suelo dentro de los lmites de la superficie de fallal distancia del pao del muro al centro de gravedad del suelo resistenteMp momento flexionante resistente del muro de contencin, obtenido del

diseo estructural preliminarp presin media sobre el muro (empuje medio)D longitud del muro entre el ltimo nivel de apuntalamiento y el nivel de

desplante del muro.

El nmero de niveles y apuntalamiento necesarios y las profundidades mximas decada etapa de excavacin previa a la instalacin de los puntales, se determinaverificando que el factor de seguridad en cada etapa sea adecuado, en casocontrario ser necesario agregar niveles de apuntalamiento o aumentar la longitud deempotramiento del muro.

Figura No. 2.29 Mecanismo de falla del empotramiento del murode contencin


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d.4) Anlisis de la sobrecompensacin y la flotacin

La presin de sobrecompensacin Ps, se determina mediante la siguiente expresin:

Ps = (P t P e) / B (2.12)

Donde:Pt Peso de tierra excavada por metro lineal de excavacinB Ancho de la excavacinPe Peso de la estructura por metro lineal, que incluye los siguientes

componentes:

Pe= P p+ P c + P b+ P r (2.13)

Donde:Pp Peso de la plantilla para lastre.P

c Peso del concreto estructural.

Pb Peso del balasto.Pr Peso del relleno artificial, superficial.

Si la sobrecompensacin se excede se deber utilizar lastre de concreto en losas omuros y rellenos densos.

La presin de flotacin pw , se calcula con:

pw = ?w hw

Donde:?w Peso volumtrico del agua.hw Altura piezomtrica al nivel del fondo de la excavacin.

2.5.4 Estabilidad de trincheras con lodo

Los mecanismos por medio de los cuales los lodos bentonticos estabilizan ysostienen a las paredes y fondo de la excavacin, son discutidos an. Los siguientesfactores intervienen en la estabilidad de las trincheras:

? La presin hidrosttica del lodo.?

La resistencia pasiva del lodo, considerado como un cuerpo plstico confinadoentre dos placas rgidas.? La resistencia a la deformacin de la interfaz impermeable (cake), funcionando

como membrana.? La accin de fuerzas electroosmticas es despreciable.


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? Incremento de la resistencia al esfuerzo cortante en la zona de suelo saturada porel fluido estabilizador, debido al efecto de cuajado del lodo en los poros.

? El efecto estabilizador que se presenta en los granos de suelos no cohesivos enla cara interior de la trinchera, debido al flujo del lodo hacia su interior y a laexistencia de la interfaz impermeable, la cual adems transmite la presin

hidrosttica del lodo a la estructura del suelo.Se presentan a continuacin algunos de los criterios ms importantes para estimar laseguridad en las trincheras estabilizadas con fluidos viscosos, tanto en sueloscohesivos como en suelos friccionantes (Arias, 1997).

2.5.4.1 Mtodos de anlisis

2.5.4.1.1 Estabilidad de trincheras en suelos cohesivos

Coulomb demostr que en la estabilidad de un corte vertical en arcilla homognea,

existe una altura crtica abajo de la cual un corte no se puede auto-sostener:

??

?

??

sen1

cosc4Hcr (2.14)

Donde:? Peso especifico del suelo.c Cohesin.

? ? ngulo de friccin interna.

Criterio de Nash y Jones (1963)

Siguiendo este criterio, se analiza la estabilidad de trincheras enjarradas con lodobentontico, suponiendo que se desarrolla una membrana impermeable en la interfazsuelo-lodo, y que se ejerce una fuerza hidrosttica en las paredes de la trinchera. Sise acepta la existencia de una membrana impermeable en la cara interior de laexcavacin, entonces cualquier fluido ejerce un empuje hacia el suelo, obtenindoseun diagrama de cuerpo libre como el de la Figura 2.30a. Si no se presentan cambiosen los esfuerzos efectivos y si el corte permanece abierto solo por unos das,entonces c=cU, ? =0, ? =0 y ?cr=45, Figura 2.30b. El factor de seguridad, F, ser:

)(H

c4

F L

U

???? (2.15)

Donde:

?L Peso volumtrico del lodo.


53/200

47

cUResistencia no drenada del suelo.

Este anlisis ignora la existencia de posibles grietas en el suelo, las que reducen elvalor de dicho factor.

C 45o

H

Pf R

W

45o

C

R

Z

W

(a) (b)

Figura No. 2.30 Criterio de Nash y Jones

Criterio de Aas (1976)

Resistencia no drenada

El problema ms delicado relacionado con el anlisis de estabilidad de trincherasestabilizadas con lodo en arcillas blandas, es la seleccin de valores adecuados dela resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Algunas experiencias de los ltimos

aos muestran que el anlisis no-drenado basado en la prueba tradicional de veletaconduce a estimaciones incorrectas del factor de seguridad para todos los tipos dearcilla.

La experiencia en clculos de estabilidad de excavaciones indica claramente que eluso indiscriminado de la resistencia medida con veleta, cuando sta excede el valorcorrespondiente a 0.2 veces el esfuerzo efectivo, conduce a sobre-estimaciones delas condiciones de estabilidad y diseos inseguros. Por ello, cuando menos ensituaciones donde se descarga la arcilla por algunos das, como en el caso detrincheras estabilizadas con lodo, las altas resistencias al esfuerzo cortante medidasen la parte superior intemperizada de la arcilla deben ser consideradas con

precaucin.Modelo de falla

Se considera adecuado realizar los clculos de estabilidad considerando un modelode falla basado en suposiciones simples: la masa deslizante est constituida por dos


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48

bloques y la falla se desarrolla por un movimiento del bloque inferior horizontal ?? H)hacia el interior de la trinchera, al mismo tiempo que el bloque superior experimentaun movimiento vertical (? V) (Figura 2.31).

Figura No. 2.31 Condiciones supuestas de falla

Por otro lado, se supone que a lo largo de los dos planos inclinados a 45 lascondiciones de esfuerzo corresponden a un estado de falla activa, por lo que laresistencia al esfuerzo cortante movilizada a lo largo de estos planos es igual a lamedida en el ensaye triaxial de compresin. Adems, se considera que en lassuperficies de deslizamiento verticales se moviliza la resistencia modificada de veleta(c

V), que es igual a la resistencia real medida con veleta observada en el fondo del

cuerpo deslizante (a la profundidad H) y que decrece en forma lineal hacia lasuperficie donde vale cero.

El propsito de este grupo de consideraciones simples es compensar:

? La presencia de grietas en la superficie intemperizada de la trinchera.? La ya citada sobre-estimacin de la resistencia medida con veleta en la zona

superficial intemperizada.? El hecho de que este mecanismo de falla puede no ser es el ms crtico.? La posibilidad de desarrollo de una falla progresiva debido a la ms temprana

movilizacin de resistencia a lo largo de los planos inclinados que en 1osverticales.

En la Figura 2.32 se presenta el diagrama de cuerpo libre para el problema encuestin, considerando que ?


55/200

49

Figura No. 2.32 Anlisis de estabilidad, criterio de Aas (1976)

Estableciendo la ecuacin de equilibrio se llega al siguiente factor de seguridad:

?

?

?

??

?

?

?

?

?

??

?

?

?

??????

????

?

??

??????

?

?

??

???????

?

???

??

??

4

5.01c

c2

L

H5.0

c

c2)23(

L

H2

3

7

L

H

H

cF

L2

2

V

T2

V

T3

V (2.16)

Donde:? Peso especfico del suelo.

? ?L Peso especfico del lodo.cV Resistencia al esfuerzo cortante medida con veleta a la profundidad D.cT Resistencia al esfuerzo cortante medida en la prueba triaxial CU a la

profundidad D.H Profundidad de la trinchera.L Longitud de la trinchera.

Calculando la derivada de F con respecto a ? e igualando a cero, se obtiene el valorcrtico de ? . Para encontrar este valor crtico se consideraron los siguientes valorestpicos:

???

4L

2

entre 0.1 y 0.2 y,

H/L < 30

Implica? entre 0.47 y 0.50 y,? ? 2= ,

por lo que la ecuacin anterior se simplifica a:


56/200

50

? ? ??

?

??

???

?????

L

H86.06.0

c

c2

H

cF

V

T

L2

V (2.17)

Se considera adems que, si H/L < 7.5, el plano de falla del fondo se extiendetericamente hasta el nivel del terreno, ? =1; por lo que el factor de seguridad resulta:

? ? ??

?

??

??

?????

L

H94.0

c

c2

H

cF

V

T

L2

V (2.18)

Estas ltimas ecuaciones se pueden escribir de manera similar a la expresin para elclculo de la estabilidad de cortes y excavaciones. En este caso el nmero deestabilidad, no solo refleja la geometra de la trinchera sino tambin la anisotropa enla resistencia al esfuerzo cortante:

? ? sL2

V NH

cF????

? (2.19)

La influencia de la sobrecarga en el factor de seguridad se considera en la siguienteexpresin:

s

L2

V N

H2Q4

H

cF

?

?

??

?

??????

? (2.20)

Donde Q es la sobrecarga uniformemente repartida y que acta dentro del rea de latraza superior del prisma de falla.

Adaptacin del criterio Noruego de Aas (Santoyo, 1996)

Para aprovechar la experiencia Noruega conviene establecer una comparacincualitativa de esas peculiares arcillas con las de Mxico. Al respecto, se puedeestablecer que:

? Las arcillas de Oslo son muy blandas, sin embargo, presentan menor plasticidady mayor peso volumtrico.

? Asumiendo que el peso volumtrico de las de Oslo es del orden de 1.4 veces msgrande, y su resistencia similar, se puede aceptar que las de Mxico deben serpotencialmente ms estables en condiciones similares.

? A lo anterior se debe agregar que las arcillas noruegas son muy sensitivas; estoes, fcilmente pierden su resistencia con deformaciones pequeas.


57/200

51

? Considerando que en las arcillas sensitivas de Oslo los tiempos de falla varanentre 2 y 10 horas, se puede establecer que en las de Mxico, esto ocurrir entiempos mucho mayores.

La ec.2.1 puede ser modificada para las caractersticas del subsuelo de la Ciudad deMxico, aceptando como significativa la resistencia no drenada medida en unaprueba triaxial CU y que la relacin cT/cV = 1 para tomar en cuenta la anisotropa, yaque en el caso de las arcillas de Mxico la resistencia medida con veleta es mayorque la medida en la prueba triaxial. Bajo estas consideraciones, el factor deseguridad se puede expresar como:

? ? ???

??

??

?????

LH

94.02H

cF

L2

T (2.21)

Nuevamente la influencia de la sobrecarga en el factor de seguridad puede ser

considerada mediante la expresin:

??

?

??

??

?

?

??

?

??????

?L

H94.02

H2

Q4H

cF

L2

T (2.22)

Donde:? Peso especfico del suelo.

? ?L Peso especfico del lodo.cV Resistencia al esfuerzo cortante medida con veleta a la profundidad D.

cT Resistencia al esfuerzo cortante medida en la prueba triaxial CU a laprofundidad D.

H Profundidad de la trinchera.L Longitud de la trinchera.Q Sobrecarga uniformemente repartida y que acta dentro del rea de la traza

superior del prisma de falla.

Criterio de Alberro y Auvinet (1984)

Este criterio considera una trinchera de largo L y ancho B y revisa las condiciones deestabilidad de una masa prismtica truncada por un plano de deslizamiento a 45

(Figura 2.33).


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52

Q

S2

S1, S3

P1 P1

W1

H

S'1,

P2 S'3

S ? H

W2

B=? H

45o?H

Donde:

P Presin

Q SobrecargaSiy S Resistenciasal esfuerzo cortante

Wi Peso de la cua

Figura No. 2.33 Criterio de Alberro y Auvinet (1984)

El factor de seguridad se estableci considerando las fuerzas de la Figura 2-33. El

factor de seguridad mnimo se obtuvo cuando (?F/?? ?= 0, F min.

Se distinguen los siguientes cuatro casos (Tabla 2.7):

1) Cohesin del terreno constante sin sobrecarga. Ecuacin de equilibrio:

? 2SSSSSSWWP '3'1321212 ???????? (2.23)

2) Cohesin constante con sobrecarga uniformemente distribuida, Q, en lasuperficie. Considera la ecuacin de equilibrio anterior.

3) Cohesin variable con la profundidad y sobrecarga en la superficie. Se

consideran las siguientes hiptesis:

? La cohesin que puede desarrollarse en los planos de falla verticales puedeestimarse a partir de la resistencia al corte medida con veleta (cV) a laprofundidad H.

? La cohesin que puede desarrollarse en un plano de falla inclinado a 45 puedeestimarse a partir de la resistencia al corte medida en prueba triaxial CU, cTa laprofundidad H.

? Ambas cohesiones presentan una variacin lineal con la profundidad.? La cohesin media en las paredes verticales del prisma es: c = c V (1-? ) / 2? La cohesin media en las paredes de la cua es: c = c T (2-? ) / 2

? La solucin para determinar el valor crtico de ? , que minimiza al factor deseguridad de la excavacin, se har numricamente, aplicando el mtodo deaproximaciones sucesivas.

4) Modificacin al criterio de Alberro y Auvinet para considerar nivel de lodo variableen la trinchera. Como en el caso anterior, se recurre a una solucin numrica paraencontrar el valor de ? que minimiza al factor de seguridad de la trinchera.


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53

Tabla No. 2.7 Criterio de Alberro y Auvinet (1984)

Factor deseguridad ?

?

?

??

??

???

??

????

L

H

)2(

1

H)(

c2F

L

1) ? ?o Fmin. ?

?

?

??

??

????

L

H87.1

H)(

c2F

Lmin

Factor deseguridad LQ2)2(HL)(

)2(H)1(Lc2F

L ????????

???????

2)

? ?

L

Q4)(2

LH

Q2

L

2

H

1Q)(8)(12)(2

L

2

L2

LL

????

?

?

?

?

?

???

?

??

?

??????????????

??

Factor deseguridadvu

LQ2)2(HL)()]2(L2[c)]2(H)1)(LH2[(cF

L

T22V?

????????

?????????????

3)? ?

0v

vuuv)

v

u(

F2 ?

??

??

??

?

???

??

??

?

Factor deseguridad

v

u

H

Q2)(2HL

)]2(L2[c)]2(H)1)(LH2[(cF

LL

2

T22

V?

??

?

??

?

??

?

?????????

?????????????

4)

? ? 0v

vuuv)

vu(F 2 ???

??

??

?

???

????

?

Donde:

? Peso volumtrico del suelo.?L Peso volumtrico del lodo.c Cohesin del suelo.Q Sobrecarga uniformemente distribuida.cV Resistencia al esfuerzo cortante medida con veleta.cT Resistencia al esfuerzo cortante medida en la prueba triaxial CU.H Profundidad analizada.L Longitud de la trinchera.B Ancho de la trinchera.

2.5.4.1.2 Estabilidad de trincheras en suelos friccionantes


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54

Criterio de Nash y Jones (1963)

Estos autores consideran el equilibrio en la trinchera como se indica en la Figura2.34.

W

A

H R

Pf

W

B Pf

a) b)

C

R

F

90o- -

Figura No. 2.34 Criterio deNash y Jones(1963), para suelos friccionantes

En general, en arena seca, el factor de seguridad se define como:

?

??

tan

tanF d (2.24)

Con base en la figura anterior, se obtiene:

L

L

*2tan

??

????? Por lo tanto:

L

dL tan*2F???

???? (2.25)

Siendo ? d el ngulo de friccin interna de la arena seca. En este tipo de suelos noexiste altura crtica si se supone falla simple de cua, por lo que el factor deseguridad permanece constante con la profundidad.

Para arena saturada, el soporte efectivo de la membrana se reduceconsiderablemente. En este caso el peso especfico de la arena se transforma en ? =

?sat- ?w y la capacidad de soporte del lodo se considera como el valor de la diferenciaentre las presiones del lodo y del agua, por lo que el factor de seguridad es:

L

dL

''

tan''*2F

???

???? (2.26)


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En ambos casos el tratamiento bidimensional del problema desprecia el efecto dearqueo que ocurre en trincheras cortas, proporcionando diferencia del lado de laseguridad.

Criterio de Morgenstern y Amir-Tahmasseb (1965)

Este criterio considera niveles arbitrarios de NAF y lodo. Con base en la Figura No.2-35 se supone una cua de suelo inclinada en estado incipiente de deslizamiento,separada del lodo por medio de la membrana impermeable. La cua tiene una alturaH y est constituida por suelo cuyo ngulo de friccin interno es ? . El tirante de aguaes ? H, mientras que el del lodo es ? H, S denota la resistencia al esfuerzo cortante alo largo de la base de la cua deslizante, N representa la reaccin normal a la base,W el peso de la cua y P la fuerza horizontal requerida para impedir el deslizamiento.

?H W

H

P ?H

N?

S

NAF

Figura No. 2.35 Criterio de Morgenstern y Amir-Tahmasseb (1965)

Haciendo el equilibrio de fuerzas tanto en direccin vertical como horizontal,considerando la resistencia al esfuerzo cortante efectiva y que P es la fuerza del lodoactuando en la membrana impermeable para garantizar el equilibrio, se llega a lasiguiente expresin que define la densidad del lodo requerida para evitar eldeslizamiento de la cua:

'tansencos

'taneccos)'tancossen(cot 2

w

L

w

L2

????

??????????

?

??

?? (2.27)

Variando el ngulo ? en la ecuacin anterior se puede encontrar la densidad mxima

requerida del lodo para garantizar la estabilidad de la trinchera. El valor de ? puedeser igual a 45 + ? /2.

Un criterio de falla especialmente interesante es el de Piaskowski y Kowalewski(1963), el cual analiza una superficie de falla en tres dimensiones, parecida a undesconchamiento (Arias, 1997).


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56

2.5.4.1.3 Otros fenmenos que afectan la estabilidad de trincheras con lodo

Se mencionan a continuacin aspectos generales de otros fenmenos que puedenocurrir en trincheras estabilizadas con lodo (Arias, 1997).

Fracturamiento hidrulico: se define como la activacin de las fisuras pre-existentesen arcillas, provocada por el exceso de presin hidrosttica que se desarrolla cuandoel nivel del lodo queda por arriba del nivel de aguas freticas. Este fenmeno semanifiesta por un descenso brusco del nivel del lodo que a su vez provoca ladisminucin del factor de seguridad y la eventual falla de la trinchera.

Falla de fondo de la trinchera: De acuerdo con el criterio de Skempton, el fondo esestable en las condiciones siguientes (Figura 2.36):

H?+ Q - WH ?L< 5.14 c T

cuando:

L

T Qc14.5H????

??

Por lo que el factor de seguridad es:

Q)(H

c14.5F

L

T

?????? (2.28)

Q

H ?H

?H?L ?H+Q

Figura No. 2.36 Esfuerzos en el fondo de la trinchera.


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En condiciones usuales, la falla de las paredes resulta ms crtica que la falla defondo. Es posible mostrar por otra parte que la confiabilidad de una trincheraestabilizada con lodo es muy sensible a las variaciones del nivel del lodo que sepermiten durante la construccin.

2.5.4.2 Caractersticas de los lodos estabilizadores

La utilizacin de los lodos para la estabilizacin de excavaciones constituye undesarrollo reciente. La tcnica bsica se ha usado en excavaciones de pozospetroleros y exploracin del subsuelo. La ejecucin de excavaciones estabilizadascon lodo es sencilla si las condiciones del suelo y el agua subterrnea sonfavorables; si esto no se presenta, se requiere de equipo y tcnicas especiales(Nash, 1974).

2.5.4.2.1 Lodos bentonticos y espontneos

Un lodo estabilizador es una suspensin de bentonita en agua cuyas propiedadesson:

? Estabilidad: se traduce en una ausencia de decantacin durante perodosprolongados, lo que se logra mediante la agitacin del lodo y un perodo dehidratacin que depende de la calidad de la bentonita, entre 3 y 7 hrs. Cuando ellodo tiene una viscosidad medida en el cono Marsh comprendida entre 36 y 40 s,es apto para usarse y es manejable.

? Tixotropa: es la facultad de adquirir en estado de reposo cierta rigidez cuando elsuelo excavado es poco permeable; el lodo bentontico se adhiere a la superficie

formando una pelcula de arcilla muy poco permeable y delgada (cake). Cuandola permeabilidad del suelo excavado es grande (arenas) el lodo penetra hasta unadeterminada profundidad, donde las propiedades tixotrpicas hacen que cuaje encierto tiempo, cerrando los poros de la excavacin.

Las caractersticas de estos fluidos, para que puedan utilizarse en los muros Miln oprefabricados, dependen principalmente de las tres propiedades que se indican en laTabla 2.8.

La experiencia en la construccin de muros en la Ciudad de Mxico ha demostrado

que las trincheras se pueden estabilizar con el lodo que se forma espontneamenteal excavar las arcillas y ms an se ha demostrado la factibilidad de emplear aguacomo fluido estabilizador.


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Tabla No. 2.8 Propiedades de los lodos estabilizadores (Santoyo, 1996).

Propiedad Valores admisiblesDensidad 1.03 a 1.07

Viscosidad Marsh 28 a 45 sContenido de arena Menor de 10 %

2.5.4.2.2 Caractersticas de los lodos fraguantes

El lodo fraguante es un fluido denso, producto de la adicin de cemento a unasuspensin de arcilla tixotrpica, capaz de estabilizar la zanja y endurecer en uncierto tiempo con una resistencia igual o mayor que la del suelo que fu excavado;esta mezcla de color gris, semejante a una lechada viscosa, no inicia su fraguadomientras se mantenga en movimiento, pero una vez que se deja en reposo fragua

rpidamente.

La mezcla debe ser una suspensin estable y bombeable. Para obtener una mezclaadecuada de lodo fraguante, es necesario definir la proporcin exacta tanto de lodobentontico como de cemento en la composicin del mismo. Este proporcionamientobase inicial se define mediante un estudio de laboratorio que posteriormente severifica en campo. Las principales propiedades de los lodos fraguantes se muestranen la Tabla 2.9.

Tabla No. 2.9 Principales propiedades de los lodos fraguantes.

De fluidez FsicasViscosidad DensidadTixotropa Peso especficoTiempo de fraguado Resistencia del gel

Permeabilidad

El criterio para definir la resistencia final del lodo fraguante una vez endurecido, esque sea 50% ms resistente que el suelo al nivel de desplante del muro,despreciando los picos originados por estratos muy compactos o cementados. No es

conveniente adoptar una resistencia mayor, ya que al endurecer se convierte en unamezcla frgil y fisurable susceptible a filtraciones.


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3. ABATIMIENTO DEL NIVEL FRETICO Y CONTROL DE FILTRACIONESEN EXCAVACIONES

3.1 INTRODUCCIN

En la construccin de edificios, presas, tneles, etc., frecuentemente se requiere deexcavaciones por debajo del nivel fretico. Para prevenir desprendimientos en lasparedes y asegurar el estado seco de tales excavaciones, es necesario llevar el niveldel agua por debajo de las paredes y del fondo de la misma, trabajando as encondiciones firmes para las operaciones de construccin.

En arcillas suaves saturadas, tales como la de la Ciudad de Mxico, el nivel del aguase abate espontneamente conforme el suelo se excava debido a las presiones deporo negativas inducidas por descarga. Se requiere entonces el bombeo solamentepara controlar el flujo de agua, principalmente a travs de grietas y lentespermeables, hacia la excavacin. Tambin puede ser necesario eliminar laspresiones de subpresin en las capas de arena cercanas al fondo de la excavacin.El bombeo contribuye a evitar cambios en los esfuerzos efectivos dentro del suelo,los cuales ocasionan expansiones volumtricas y tienen un efecto desfavorable en laresistencia del suelo. Tambin puede usarse para dar una orientacin favorable a lasfuerzas de filtracin dentro del suelo y mejorar as las condiciones de estabilidad dela excavacin. La extraccin de agua debe reducirse sin embargo a un mnimo paraevitar la consolidacin y los consecuentes asentamientos del rea circundante. Enarcillas impermeables, las redes de flujo no pueden usarse para el diseo desistemas de bombeo, puesto que la condicin de flujo no es generalmenteestablecida. Estos sistemas se disean entonces sobre una base emprica, usando laexperiencia local. Consisten generalmente de una serie de pozos de pequeodimetro, incluso para las excavaciones grandes, el caudal de agua extradogeneralmente es de unos pocos litros pos segundo.

El agua del terreno se puede controlar por uno o ms tipos de sistemas de bombeo,apropiados al tamao y profundidad de la excavacin, a las condiciones geolgicas ya las caractersticas del suelo.

Un abatimiento diseado, instalado y operado apropiadamente facilitar laconstruccin:

? Bajando el nivel del agua e interceptando la infiltracin, evitando que el aguaemerja por las paredes o por el fondo de la excavacin.

? Incrementando la estabilidad de las paredes excavadas.? Previniendo la erosin del material en las paredes o en el fondo de la excavacin.? Reduciendo las cargas laterales en el tablaestacado o ademe.? Mejorando las caractersticas de la excavacin y las tensiones en suelos

arcillosos.


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60

geotecnia en construcción especializada

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