Instalación de tuberías de hormigón en zanja, terraplén, zanja terraplenada y zanja inducida en terraplén

Víctor Flórez Casillas

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Director del Departamento Obras Hidráulicas y Marítimas de FCC CONSTRUCCION, S.A.

Profesor de la EADIC en Predimensionado y Diseño de Obras Hidráulicas

vflorez@fcc.es

Generalidades En esta presentación vamos a abordar los distintos tipos de instalación para tuberías de hormigón en masa y armado en conducciones sin presión, así como el cálculo mecánico de las mismas.

Se trata de un tipo de tubería muy empleado y, por ese motivo en todas las normativas al respecto se clasifican en series determinadas, de forma que la serie está relacionada con el diámetro de la tubería, su puesta en obra y sus cargas exteriores máximas.

La asociación ATHA, y ANDECE han desarrollado un programa de cálculo de acceso gratuito para el diseño de tuberías rígidas frente a cargas exteriores. El programa puede descargarse de forma gratuita de la siguiente página web: http://www.atha.es/atha_archivos/prg%20calculo/frames.htm

El programa desarrolla las teorías de Marston y Boussineqs para cargas de tierra y móviles, a partir de las cuales, dependiendo de la disposición de la tubería frente al terreno, la calidad del relleno, el espacio lateral y el tipo de cama de asiento, obtiene unos factores de apoyo a partir de los cuales se establece una carga por metro lineal de tubería o una presión por m2 que convenientemente mayorada nos asigna una clase de tubería.

El sistema de cálculo proviene de la norma americana ASTM y ha sido adoptado por la norma europea EN 1916 y la transposición española UNE EN 127916.

Definiciones Empezaremos por definir algunos conceptos, entre ellos, la distinción entre tubería flexible y tubería rígida a los efectos de esta presentación ya que hay varias definiciones al respecto que hacen referencia a sus características mecánicas.

Tubería flexible: aquella cuya capacidad de deformación es capaz de transmitir al relleno lateral parte del esfuerzo hasta el equilibrio. Son aquellas tuberías que para trabajar, para adquirir tensión, han de deformarse.

Tubería rígida: aquella que soporta las acciones exteriores sin apenas deformación, con lo cual es la propia sección de la tubería la que aguanta los esfuerzos de flexión.

Plano crítico: se define de esta forma el plano que está situado al mismo nivel que la clave exterior de la tubería. Con respecto a este plano se definirán los asentamientos (razones de asentamientos) relativos entre los prismas laterales y el prisma central.

Prisma central o prisma interior: el que gravita directamente sobre la tubería, del mismo ancho que el diámetro exterior del tubo.

Prismas laterales o prismas exteriores: relleno adyacente al prisma central, a ambos lados de la tubería.

Ilustración 1: Esquema para definiciones (1)

Plano de igual asentamiento: aquel cuya altura de relleno sobre la tubería es tal que, a partir de él, asientan de la misma forma los prismas centrales y los laterales.

Razón de asentamiento: relación entre la deformación de los prismas laterales de relleno respecto al prisma central.

Factor de proyección: relación entre h y D, siendo D el diámetro exterior. Es decir, si nos colocamos lateralmente al tubo, la proporción de tubería que queda sobre el terreno respecto a la dimensión total de la obra. Estamos hablando generalmente de tuberías de gran diámetro pero es aplicable también a cajones o secciones rectangulares.

Ilustración 2: Esquema para definiciones (2)

Tipos de instalación

Apoyo continuo

En esta presentación vamos a considerar exclusivamente apoyos de tipo continuo. Los tubos deben descansar en un apoyo adecuado, generalmente una cama de arena, material granular o de hormigón.

El tipo de apoyo influye enormemente en los esfuerzos que soportará el tubo y por tanto debe ser tenido en cuenta en la fase de diseño

Ilustración 3. Tipos de apoyo continuo

El apoyo, sea del tipo que sea, debe adaptarse perfectamente al tubo, para que realmente reparta las fuerzas de reacción. En el caso de apoyos granulares, basta con no compactarlos excesivamente para que el propio peso del tubo consiga una adaptación correcta. En el caso de apoyos de hormigón, puntuales o continuos, el tubo se nivela mediante apoyos provisionales de madera y posteriormente se rellena de hormigón la zona de cuna prevista en el proyecto.

Ilustración 4. Apoyo continuo sobre cama de hormigón para instalación en terraplén

Para dar idea de la importancia del tipo de apoyo en la distribución de reacciones en el tubo, en la figura anterior se han dibujado 3 casos muy representativos.

El primer caso corresponde a una cama granular, la reacción del terreno es uniforme en la zona apoyada.

El segundo caso presenta una cama de hormigón. La reacción es continua pero su distribución no es lineal, concentrándose en los extremos del apoyo.

El tercer caso corresponde a un apoyo directo, la reacción es muy concentrada.

Relleno

Al rellenar la zanja debemos distinguir dos zonas: hasta clave del tubo y por encima de clave.

La zona hasta clave del tubo denominada como riñones de la zanja, debe compactarse lo mejor posible, aunque siempre con medios de compactación de poca potencia (generalmente ranas o rodillos ligeros). En algunos materiales como son los plásticos o materiales férricos con protecciones pasivas delicadas, esta zona debe tener una granulometría muy cuidada que debe especificarse en el proyecto y respetarse en la obra. El grado de compactación esperable, debe ser coherente con el tenido en cuenta en el cálculo del tubo.

El relleno desde clave del tubo hasta cota final de terreno, también debe compactarse, pero sólo en las zonas laterales de la zanja.

Ilustración 5. Zonas de relleno de la tubería. Ejemplo de zanja

Nunca deben emplearse medios de compactación potentes sobre el tubo, hasta no haber alcanzado un recubrimiento considerable. Incluso en los tubos calculados para resistir tráfico pesado, debe evitarse la incidencia de compactadores pesados con recubrimientos pequeños.

Instalación en zanja

En este tipo de instalación la tubería se coloca a cierta profundidad en un suelo natural previamente excavado para proceder posteriormente a su relleno. Dentro de este tipo de instalación habrá que distinguir si la zanja es estrecha o si la zanja es ancha cuyo comportamiento se asemeja al terraplén. Es el sistema más habitual de colocación.

Para la colocación en zanja se realiza una excavación, que debe ser suficientemente ancha y estable para permitir la instalación del tubo y asegurar la estabilidad de los taludes. En tubos pequeños, en que puede colocarse el operario con un pie a cada lado, el ancho mínimo de zanja en la base es del orden del diámetro exterior más 30 cm. En tubos mayores, que no permitan al operario poner pie a cada lado, el ancho mínimo en la base es el diámetro exterior más 60 cm.

La profundidad de la zanja debe ser la que figure en proyecto, puesto que, tanto enterrar el tubo de más, como de menos, puede influir negativamente en su estado de cargas. Se debe tener en cuenta si nos encontramos en zona de labor, puesto que los aperos de labranza pueden introducirse hasta 1,00 m en el terreno.

Siempre que se pueda, deben excavarse las zanjas dando salida a las aguas en el punto más bajo, o agotando si es preciso. En ningún caso, ni siquiera cuando la junta es flexible, deben colocarse tuberías en zanjas inundadas. Si se encuentra agua en la zanja, ésta debe achicarse antes de colocar el tubo, o, en caso contrario, el apoyo será defectuoso y la junta no será estanca.

En algunos casos es necesaria la apertura de una prezanja de mayor anchura para poder ejecutar posteriormente una zanja con medios más convencionales y de menor potencia.

Instalación en terraplén

Es poco frecuente, excepto en las obras de drenaje transversal, y resulta bastante desfavorable, tanto para el tubo como para el terraplén, suele ser más barato ejecutar primero el terraplén y abrir en él la zanja. De cualquier modo, es un sistema de colocación posible, siempre que así se haya tenido en cuenta en el dimensionamiento del tubo.

Debe tenerse especial cuidado de no emplear medios de compactación pesados sobre el tubo con recubrimientos someros, un rodillo compactador es una carga mucho más desfavorable que los ejes tipo que simulan tráfico pesado, incluso es más desfavorable que 5 ó 6 m. de tierra.

Instalación en zanja terraplenada y zanja inducida

La zanja terraplenada es un caso intermedio de los dos anteriores, se realiza una zanja de profundidad menor que el diámetro de la tubería, se coloca ésta, y se sigue rellenando hasta cubrirla, es decir, la parte inferior está en zanja pero la superior queda en terraplén.

Cuando la tubería se instala en terraplén y las alturas son muy importantes, superiores a los 12 metros, puede emplearse el sistema de zanja inducida, rellenando sobre la generatriz superior del tubo con un material deformable como el serrín, paja o suelo orgánico. Se consigue una importante reducción de esfuerzos sobre el tubo mediante el empleo de una técnica que requiere de un importante control de ejecución.. En caso de emplearse este sistema debe consultarse sobre su idoneidad frente a otras alternativas.

Ilustración 6. Ejecución de zanja inducida en terraplén

Cálculo mecánico

Carga de tierras. Transmisión de cargas

Se trata de la carga exterior que está presente en todos los tipos de instalación.

Ilustración 7: Tipos de instalación. Guía CEDEX para tubería de hormigón armado en redes de saneamiento y drenaje

Para el cálculo de estas cargas se emplean las fórmulas de Marston, Terzaghi u otros métodos que transformen el peso del prisma de tierras que gravita sobre el tubo,, en una carga distribuida que representa un porcentaje del peso de las tierras. Este porcentaje puede ser superior o inferior a la unidad.

Las fórmulas originales de Marston y actualmente utilizadas en USA son del tipo;

Carga sobre el tubo = Coeficiente x Peso específico del relleno x ( exterior)2

Según la deducción original de Marston, procedente de la integración de las fuerzas actuantes obtiene unos coeficientes que dependen de la relación Hr/ ext., o bien Hr/B

En Europa se ha hecho una modificación a los coeficientes de Marston de forma que éstos nos indiquen la relación que existe entre la carga real sobre la tubería respecto al peso del prisma central.

Carga sobre el tubo = Coeficiente(2) x Peso específico del relleno x exterior x altura de relleno

Esta última formulación es mucho más intuitiva ya que nos va a indicar si un tipo de instalación mejora o empeora las condiciones básicas que serían las de soportar la carga de tierras superior, completa.

En ambas formulaciones el exterior se sustituye por B, ancho de la zanja a la altura de la clave, en las instalaciones en zanja.

La imagen siguiente es un esquema de las cargas y su transmisión que Marston emplea en su teoría.

Ilustración 8. Esquema de cálculo de Marston para transmisión de cargas

Si llamamos al peso del terreno sobre el tubo P, este será:

P = B H,

Donde:

es el peso específico del relleno

H es la altura de relleno sobre el tubo

B la anchura efectiva de relleno a la altura de la clave del tubo

La carga en cada caso será:

W = C P, siendo

C el coeficiente de Marston de cada instalación. Es el parámetro que vamos a estudiar a continuación.

Ilustración 9. Transmisión de cargas en zanja

En instalaciones en zanja, el coeficiente de Marston es inferior a 1 ya que al intentar deformarse el relleno se encuentra con la oposición del terreno natural ya consolidado; se produce un esfuerzo cortante por rozamiento del relleno contra el terreno natural. Parte de la carga se transmite por efecto arco a las paredes de la zanja. Por tanto la carga a transmitir es inferior al prisma que gravita sobre el tubo.

Esto sucede si la zanja es suficientemente estrecha, en otro caso estaríamos en un caso similar al de terraplén. En todo caso la carga en terraplén sería la máxima a considerar sobre el tubo.

Ilustración 10. Transmisión de cargas en terraplén

En la instalación en terraplén el coeficiente de Marston es superior a la unidad. El relleno deformable tiene mayor altura en los laterales que sobre el tubo y esa deformación provoca un rozamiento negativo entre el prisma superior y los prismas laterales, aumentando la carga.

Este incremento no es indefinido ya que una vez superada la altura del plano de igual asentamiento la carga no se transmite entre los distintos prismas y el coeficiente de Marston será de valor 1; la carga será a partir de ese punto igual al peso del prisma de tierras.

Esta consideración es aplicable a cualquier otra estructura en terraplén.

Esto sucede con los rellenos formados recientemente y con material deformable. En el caso de las hincas o los túneles nos son aplicables estas teorías ya que hay otros componentes de estabilidad muy importantes en la mayoría de los casos como la cohesión.

Marston, a la vez que estudiaba la carga que generaba el terreno sobre tubería rígida instalada en zanja o en terraplén, ya consideraba otros tipos de instalaciones que permitieran la reducción de la carga total. Uno de los casos es la zanja terraplenada donde la tubería que va a ser enterrada bajo un terraplén se coloca en una excavación previa del terreno, de esta forma parte de la carga superior se disipa por rozamiento como en una zanja.

El otro tipo de instalación es muy ingenieril, es la denominada zanja inducida en terraplén. La explicación que da la UNE 127.916 para la zanja inducida es la siguiente: La carga que recibe una conducción

instalada en terraplén puede reducirse invirtiendo artificialmente el sentido del deslizamiento, es decir haciendo que el prisma central descienda más que los exteriores y generando así unas fuerzas de rozamiento dirigidas hacia arriba, las cuales equilibran parte del peso del prisma central y, en consecuencia, aligeran la carga sobre la conducción.

Si mediara mucho tiempo entre la ejecución del terraplén y el final de la obra, podría abrir una zanja en él y transformar la carga en terraplén por carga en zanja. No será normalmente viable.

Pero habría otra forma de transferir carga a los prismas laterales, sería formando un arco de descarga. De modo que si abro un hueco sobre el tubo y lo relleno de “nada” formaré un arco de descarga completo, ninguna carga llegará al tubo. Pero será imposible rellenar de “nada”

Ahora bien, sí podré abrir y rellenar de “casi nada” definiendo por “casi nada” un material mucho más deformable que el relleno general, un material que haga de muelle y evite en lo posible la carga al tubo.

De esta forma consigo una reducción muy importante de las cargas que gravitan sobre el tubo, no solamente he convertido un terraplén en zanja que sería uno de los casos descritos sino que logro que la parte que gravite sobre el tubo sea casi nula porque se transmite a través de otro material muy deformable que se colgará, además, del resto del relleno.

Ilustración 11. Transmisión de cargas en zanja inducida en terraplén

Al compactar las capas superiores la transmisión a la clave del tubo a través del material muy deformable es reducida. Para ello se requiere encontrar ese material muy deformable. La literatura técnica habla de materia orgánica, paja, aserrín, ramaje, o cualquier otro material deformable. Existen estudios recientes con espuma de poliuretano, isocianato o poliestireno expandido.

Ilustración 12.Parámetros de la zanja inducida

Se definen dos modalidades de instalación en zanja inducida tal como recoge la UNE 127.916 y aquí se transcriben del manual de la ATHA, artículo 4.5.3.5, incluso las figuras que lo describen

Modalidad A

1º Se comienza por instalar la conducción, que suponemos en condiciones de proyección positiva (figura 4.5.3.5.a).

2º Se realiza el terraplenado (figura 4.5.3.5.b), cubriendo la conducción hasta una altura, sobre el plano de clave, no inferior a su diámetro exterior D . A cada lado de la conducción, se compacta el relleno hasta una distancia que como mínimo será 2 D ó 3,6 m (la que sea menor).

3º En el relleno así compactado se excava una zanja hasta el plano de clave de la conducción, cuya anchura coincidirá con el diámetro exterior de aquella (figura 4.5.3.5.c) Esta zanja se rellena con material compresible como paja, serrín suelo orgánico, o cualquier otro material que ofrezca garantía de un asentamiento claramente superior al del relleno compactado.

4º Se completa el relleno del terraplén en la forma habitual (figura 4.5.3.5.d).

Modalidad B

1º Antes de instalar la conducción, se rellena el terraplén hasta una cota superior, al menos en D , a la del plano de clave. Una vez compactado este relleno, se abre en él una zanja capaz de alojar la conducción (figura 4.5.3.5.e).

2º En dicha zanja se coloca la tubería y se rellena con tierra hasta el plano de clave, y con el material compresible por encima hasta una altura no inferior a D (figura 4.5.3.5.f)

3º Se completa el terraplén en la forma habitual.

Cuadro copiado del artículo 4.5.3.5 de la ATHA que describe las dos modalidades de zanja inducida indicadas en la UNE 127-916

Se consigue una mayor reducción de cargas en la modalidad A que en la modalidad B.

Calculo de la carga de tierras

La carga obtenida por el relleno se calcula según la UNE 127.916 con los criterios y coeficientes de la tabla siguiente.

Ilustración 13: Cuadro que recoge las fórmulas y coeficientes de Marston para obtener la carga producida por el relleno sobre la tubería. Guía del CEDEX parat redes de saneamiento y drenaje

A efectos del cálculo mecánico de las conducciones de hormigón, los materiales empleados en el relleno de las zanjas se clasificarán en las cinco categorías que se indican en la tabla siguiente, junto con sus características geotécnicas básicas, a falta de otros datos, aunque, lógicamente, pueden considerarse las características obtenidas en un estudio geotécnico más exhaustivo de la traza y del material disponible.

Clase de relleno r (t/m3)

Arcilla plástica 0.110 2.10 Arcilla ordinaria 0.130 1.92 Arena arcillosa 0.150 1.92 Arena y grava 0.165 1.76

Arena sin cohesión 0.192 1.90

Ilustración 14: Tabla con los parámetros básicos del relleno

En las instalaciones de terraplén y sus variantes como la zanja terraplenada o la zanja inducida en terraplén, hay otros parámetros denominados razón de proyección () y razón de asentamiento ().

La razón de proyección representa una magnitud física que relaciona la proporción del tubo que se encuentra expuesta y se define como sigue:

Terraplén : = H´/OD

Zanja terraplenada : = H´/OD, en este caso H´es la altura de zanja sobre el tubo

Zanja inducida : = H”/OD, donde H” es la altura del relleno deformable

La razón de asentamiento es un parámetro de índole geotécnica que depende del tipo de base de la zanja.

Estos parámetros están relacionados entre sí y con el plano de igual asentamiento. Para el cálculo de la altura del plano de igual asentamiento, se tantea hasta igualar las dos expresiones que indican los asentamientos producidos, tanto en el relleno lateral como sobre la clave del tubo:

Terraplén: e2··Ho/OD - 2··H0/OD = 2··· + 1

Zanja terraplenada: e-2··Ho/OD + 2··H0/OD = 2···'· + 1

Zanja inducida em terraplén: e-2··Ho/OD + 2··H0/OD = 2··'· + 1

Podemos obtener unos valores suficientemente aproximados mediante los valores del cuadro de la Ilustración 13.

Cargas móviles

Para las cargas de tráfico distinguiremos entre el tráfico rodado automovilístico, tráfico ferroviario y cargas de aeronaves.

En el caso de cargas de tráfico automovilístico, para rellenos de poca altura, se considerarán los coeficientes de impacto siguientes:

A partir de los 4 m de profundidad puede considerarse nula la carga producida por los elementos móviles. De forma simplificada se pueden emplear las cargas que se indican el cuadro de la Ilustración 15.

En el caso del tráfico ferroviario, las cargas definidas por la UIC son las siguientes y la distribución en profundidad se realiza para un ángulo de reparto de 35º:

Ilustración 15. Cargas de tráfico automovilístico

Ilustración 16. Cargas de tráfico aéreo

La carga producida por tráfico aéreo se define por la expresión siguiente, teniendo en cuenta que la clave de la tubería tendrá un relleno mínimo de 1,50 m:

Siendo qa la carga básica de aeronave, según el cuadro de la Ilustración 16.

Otras cargas

Dado el siguiente esquema de posición de una carga puntual, el valor de la misma será el siguiente:

En el caso de una carga superficial uniformemente distribuida, emplearemos la expresión siguiente:

El último caso de carga exterior considerada será el de compactación de la propia zanja o zanjas laterales, en cuyo caso, la carga sería de valor:

Factores de apoyo

Los factores de apoyo relacionan la forma de instalación, el sistema de apoyo, la compacidad del relleno y otros conceptos con la situación normalizada en el ensayo estándar de determinación de cargas, denominado ensayo a tres aristas. Es decir, para calcular la carga efectiva comparable al ensayo tres aristas, la carga total va minorada en un coeficiente denominado factor de apoyo, cuyo sentido físico es la relación de momentos entre la situación del ensayo y en la instalación real.

En el cuadro siguiente se indican los valores normalizados del factor de apoyo para las instalaciones en zanja y en zanja terraplenada, así como los recubrimientos mínimos recomendados, en función del tipo de apoyo seleccionado y de las características del relleno.

El espesor mínimo de la cama de apoyo C dependerá de la naturaleza del terreno en que se instale la conducción (suelo o roca) y del diámetro de la tubería, normalizándose los valores que se indican en la tabla adjunta.

Ilustración 17. Factores de apoyo para instalación en zanja y zanja terraplenada

En el caso de las instalaciones en terraplén o zanja inducida en terraplén, los factores de apoyo son formulados dependiendo de varios parámetros.

Para las conducciones instaladas en terraplén ó en zanja inducida se normalizan 4 tipos de apoyo. Cuando se dispongan apoyos granulares, el espesor mínimo de la cama C dependerá de la naturaleza del terreno en que se instale la conducción (suelo o roca) y del diámetro de la tubería, normalizándose los valores que se indican en la tabla anterior.

Cuando se dispongan apoyos de hormigón, el espesor mínimo de la cama será el 25% del DN del tubo. No obstante, este espesor podrá reducirse a la mitad de los valores que se indican a continuación con un mínimo de 0,30 m, siempre y cuando que se arme el apoyo con la armadura mínima prevista en la vigente EHE para tales espesores reducidos y justificando debidamente en el proyecto que la capacidad mecánica del apoyo de hormigón armado con el espesor reducido es equivalente a la del apoyo de hormigón en masa de mayor espesor.

Ilustración 18. Factor de apoyo en instalaciones de terraplén, zanja terraplenada y zanja inducida

El valor del factor de apoyo será el dado por la expresión:

El valor de “n” será el del cuadro siguiente:

El valor de en este caso será de:

Otros tipos de apoyo son los considerados especiales de tipo I y tipo II, son los clásicos macizados de tubería que en algunos casos se puede considerar como un simple encofrado perdido.

En el apoyo especial de tipo I se obtendrá la carga con la expresión siguiente y un factor de apoyo de valor 4,00:

En el caso de la tipo especial II, se considera el tubo como encofrado perdido.

Clasificación de los tubos según UNE EN 127916 Para proceder a la clasificación de las tuberías, una vez realizados los cálculos de las cargas que gravitan sobre ellos, debidas a las tierras, cargas móviles, puntuales y superficiales, y comprobado por otra parte el factor de apoyo correspondiente al tipo de instalación realizado, se realiza la comprobación de no superación de esfuerzos mediante las expresiones siguientes:

Donde la carga total qtotal es la suma de las cargas actuantes sobre el tubo, en kN/m. Se calculará mediante la siguiente expresión donde los sumandos de la derecha se aplicarán dependiendo de la posible simultaneidad de los mismos.

Qtotal = We+Wt+Wf+Wa+Wp+Ws+W c

We carga producida por el relleno

Wt carga producida por el tráfico automovilístico

Wf carga producida por el tráfico ferroviario

Wa carga producida por el tráfico aéreo

Wp cargas puntuales

Ws cargas uniformemente distribuidas en superficie

Wc cargas debidas a compactadores

La carga obtenida se compara con los valores estipulados para cada clase resistente de tubería, tanto en rotura como a fisuración, obteniéndose de esta forma la tubería necesaria.