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“DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN A BASE DE

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURAUNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO

“DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN A BASE DEZAPATAS AISLADAS ANCLADAS EN ROCA PARA EL

PROYECTO L. T. QUEVEDO –

T E S IQUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

I N G E N I E R O C I V I P R E S E N T A N :

JUAN MANUEL DE LA CRUZ BAUTISTAMARÍA MAGDALENA SÁNCHEZ HERNÁNDEZ

ASESOR DE TESIS: MIGUEL ÁNGEL

MÉXICO, D.F.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO

“DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN A BASE DE ZAPATAS AISLADAS ANCLADAS EN ROCA PARA EL

MENONITA”

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE I N G E N I E R O C I V I L P R E S E N T A N : JUAN MANUEL DE LA CRUZ BAUTISTA

MARÍA MAGDALENA SÁNCHEZ HERNÁNDEZ

GÓMEZ CASILLAS

MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE 2010

DEDICATORIA

A mi madre, María Bautista:

Por darme todo su amor y cariño incondicional.

A mi padre, Julio de la Cruz:

Por enseñarme con su trabajo el valor de la familia.

A mi hermana, Angélica:

Por la alegría y el optimismo ante cualquier adversidad.

A mi hermano, Julio:

Por ser mí amigo, compañero y haber compartido conmigo su niñez.

A mi esposa, Magdalena:

Por darme la oportunidad de crecer junto a ella.

A mi hijo, Pablo:

Por ser una motor más en mi vida.

Juan Manuel de la Cruz Bautista.

Diseño Geotécnico de la cimentación a base de zapatas aisladas ancladas en roca para el proyecto L. T. Quevedo Menonita

A mis padres Cristina y Ernesto:

Por todo su amor, comprensión y apoyo. Por el ejemplo de trabajo y honradez que siempre llevo presente.

A Marcela:

Por todo el cariño con el que me cuidaste en la infancia. Por todas las puertas que dejaste abiertas en mi camino y por respetar a aquellas que tenía que abrir sola.

A Claudia:

Por todos los momentos de nuestra niñez.

A Juan Manuel:

Por entender todas mis pasiones y apoyarme incondicionalmente.

A Pablo:

Por todas las emociones que has despertado desde tu llegada.

María Magdalena Sánchez Hernández.


AGRADECIMIENTOS Al Ing. José Luis Rodríguez Torres Al Ing. Miguel Ángel Gómez Casillas:

Por todas las enseñanzas, el tiempo y el interés que le dedicaron a este trabajo.

Al departamento de Ingeniería Civil de la C.F.E.:

Por toda las facilidades otorgadas para la realización de este trabajo.

Al Instituto Politécnico Nacional: Por la oportunidad de formarnos en sus instalaciones.

Juan Manuel de la Cruz Bautista. María Magdalena Sánchez Hernández.


i

Í N D I C E OBJETIVO iii ALCANCES iv INTRODUCCIÓN v 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UNA LÍNEA DE TRANSMISI ÓN 5

1.1 TORRES AUTOSOPORTADAS 5

1.1.1 GEOMETRÍA DE LA TORRE 10 1.1.2 CARGAS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL 13

1.2 CIMENTACIONES PARA TORRES AUTOSOPORTADAS 15

1.2.1 NORMATIVIDAD APLICABLE AL DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN 16 1.2.1.1 ESTUDIO GEOLÓGICO PARA LA UBICACIÓN DE UNA LÍNEA

DE TRANSMISIÓN CFE 10000-63 16

1.2.1.2 ESTUDIOS GEOTÉCNICOS PARA ESTRUCTURAS DE LÍNEAS

DE TRANSMISIÓN CFE C0000-43 18 1.2.1.3 PERFORACIÓN CON MÁQUINA ROTATORIA Y RECUPERACIÓN

DE MUESTRAS DE NÚCLEO CFE 10100-36 19 1.2.1.4 ANCLAS DE FRICCIÓN PARA CIMENTACIONES CFE C0000-42 28

1.2.2 GEOMETRÍA DE LA CIMENTACIÓN 35 1.2.3 FUERZAS ACTUANTES EN LA CIMENTACIÓN 38

1.3 DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN ESPECIFICACIÓN CFE JA100-64 40 1.3.1 CAPACIDAD DE CARGA 40

1.3.2 REVISIÓN A FLEXO-TENSIÓN 44

1.3.3 ARRANCAMIENTO 48

1.3.4 DESLIZAMIENTO HORIZONTAL 53


ii

2. PROYECTO “LÍNEA DE TRANSMISIÓN QUEVEDO – MENONITA 55

2.1 ESTUDIO GEOTÉCNICO 55

2.1.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 55 2.1.2 GEOLOGÍA REGIONAL 58

2.1.3 PRUEBAS DE CAMPO Y LABORATORIO 62

2.1.3.1 PRUEBAS DE CAMPO EN SUELOS 64 2.1.3.2 PRUEBAS ÍNDICE EN SUELOS 72

2.1.3.3 PRUEBAS ÍNDICE Y MECÁNICAS EN NÚCLEOS DE ROCA 77

2.2 DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN 84

2.2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES 85 2.2.2 DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA ZAPATA ANCLADA EN ROCA

EN LA ESTACIÓN 10+057.80 86 2.2.3 DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA ZAPATA ANCLADA EN ROCA

EN LA ESTACIÓN 24+431.78 90 2.2.4 RECOMENDACIONES 93

RESULTADOS vii CONCLUSIONES viii BIBLIOGRAFÍA ix ÍNDICE DE FIGURAS x ÍNDICE DE FOTOS xii ÍNDICE DE TABLAS xiii ÍNDICE DE GRÁFICAS xiv


iii

OBJETIVO

Proporcionar el diseño geotécnico de las cimentaciones superficiales a base de zapatas aisladas de

concreto reforzado para las torres autosoportadas que se encuentran desplantadas en roca y forman

parte del proyecto “Línea de Transmisión Quevedo – Menonita” bajo los lineamientos que señala la

especificación CFE JA100-64 “Cimentaciones para estructuras de Líneas de transmisión”.


iv

ALCANCES

El diseño geotécnico que aquí se presenta corresponde a las cimentaciones superficiales de las

torres autosoportadas del proyecto Línea de Transmisión Quevedo – Menonita, que se desplantaran

en roca, utilizando zapatas aisladas de concreto reforzado.

La especificación CFEJA100-64 rige el diseño geotécnico y abarca los siguientes aspectos: revisión

de la resistencia a compresión bajo el criterio de falla Mohr-Coulomb, revisión por volteo considerando

que la zapata gira rígidamente sobre sus bordes, revisión al arrancamiento considerando la resistencia

proporcionada por el anclaje; y revisión al deslizamiento entre la cimentación y la roca. La

especificación exige, que cuando se desplanten cimentaciones ancladas en roca, la resistencia a la

tensión de las anclas debe ser obtenida previamente mediante pruebas de extracción de anclas,

conforme a la especificación CFE C0000-42; los demás parámetros de diseño pueden ser obtenidos,

ya sea por pruebas in situ, pruebas de laboratorio o correlaciones, tomando para cada caso el factor

de reducción que corresponda.

Se proporcionan los aspectos geológicos que de acuerdo a la especificación CFE 10000-63 “Estudios

Geológicos para la ubicación de una línea de transmisión” resultan necesarios para el diseño

geotécnico, los trabajos de campo y laboratorio obligados para el caso de torres autosoportadas

según la especificación CFE C0000-43 “Estudios Geotécnicos para estructuras de Líneas de

Transmisión”, así como el procedimiento para la obtención de muestras de núcleos de roca para su

clasificación y ensayes mecánicos conforme a la especificación CFE 10100-36 “Perforación con

máquina rotatoria y recuperación de muestras de núcleo”.


v

INTRODUCCIÓN La infraestructura de un país es un aspecto de suma importancia para su desarrollo, la existencia de

redes de drenaje, vías de comunicación, el abastecimiento de agua potable y el suministro de energía

eléctrica, son básicamente los cimientos de un país en desarrollo.

En México, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) tiene el objetivo de generar y abastecer de

energía eléctrica al país mediante la construcción de presas hidroeléctricas, plantas termoeléctricas,

subestaciones de energía y líneas de transmisión, así mismo supervisar y evaluar los proyectos que

por medio de licitación pública se designa a la Iniciativa Privada.

Dentro del abastecimiento de energía eléctrica, las líneas de transmisión juegan un papel importante,

son aquellas que soportan los cables de alta tensión, medio por el cual la energía es llevada a los

diferentes rincones de la República Mexicana. Desde el punto de vista estructural las torres de

transmisión deben resistir la acción de fenómenos naturales tales como hielo, sismo, pero

principalmente el empuje del viento; para que la conducción de la energía eléctrica se realice con

seguridad, eficiencia y bajo costo.

Un factor importante para garantizar la estabilidad y el buen funcionamiento de las torres de

transmisión radica en el diseño de su cimentación, principalmente por la extensa gama de condiciones

que presenta el suelo donde se desplantaran estas estructuras. De acuerdo al tipo de suelo

encontrado las cimentaciones a utilizar pueden ser: superficiales o profundas.

Este estudio se encuentra dirigido básicamente a los casos donde se han detectado estratos de roca

superficiales, como es el caso del proyecto L.T. Quevedo - Menonita ubicado en Namiquipa,

Chihuahua; donde es recomendable que las cimentaciones de las torres de transmisión utilicen


vi

zapatas aisladas de concreto reforzado ancladas en la roca. Para este caso en particular, se

proporcionan los criterios de análisis y diseño geotécnico conforme a la especificación CFE JA100-64 .

Se presenta el estudio geotécnico para el proyecto L.T. Quevedo – Menonita y se realiza el diseño

geotécnico de la cimentación para la torre EA4A22MA (Estudio caso). El diseño se rige por las

especificaciones emitidas por parte de la Comisión Federal de Electricidad tomando en cuenta las

recomendaciones que hace para la exploración geotécnica, las pruebas para extracción de anclas y el

diseño geotécnico de la zapata; en él se revisa la resistencia a compresión, volteo, arrancamiento y

deslizamiento de la cimentación.

El presente trabajo de investigación consta de dos capítulos, el capítulo uno se conforma de dos

partes, en la primera de ellas se da una introducción sobre las Líneas de Transmisión y las partes que

la componen, enfocándose primordialmente a los tipos de torres de transmisión: su designación,

elementos que las conforman y sus características principales; y se describe de manera muy general

la obtención de las cargas para el diseño estructural de la torre. La segunda parte está dirigida de

manera particular a las cimentaciones para las Torres Autosoportadas, en ella se expone de manera

breve la normatividad aplicable al diseño de la cimentación, se proporciona la geometría de la

cimentación a utilizar, pero fundamentalmente se dan los lineamientos que rigen al Diseño

Geotécnico de la Cimentación de acuerdo a la especificación CFE JA100-64. El diseño geotécnico

incluye la revisión por capacidad de carga vertical, volteo, arrancamiento y deslizamiento horizontal de

las cimentaciones superficiales a base de zapatas aisladas de concreto reforzado ancladas en roca.

En el segundo capítulo se presenta el estudio geotécnico del proyecto L.T. QUEVEDO-MENONITA,

ubicado en el municipio de Namiquipa, Chihuahua. En él se mencionan las características más

importantes del proyecto como son: trayectoria de la línea, tensión a la que va a operar, tipo de

estructuras de soporte, por mencionar algunas de ellas. Se describen los trabajos de exploración

realizados a lo largo de la línea de transmisión, así como las pruebas de laboratorio realizadas. De

manera particular se tratan los sitios denominados: PCA -09 y PCA-26, debido a que en ellos se

ubican las torres tipo EA422MA, que estarán desplantadas sobre roca y para las cuales se realizara

el diseño geotécnico de la cimentación correspondiente. Para estos sitios se presentan además de

los resultados de las pruebas de laboratorio hechas a las muestras de roca obtenidas de la

exploración geotécnica, las pruebas de extracción de anclas tal y como lo exige la especificación. Al

final de este capítulo se desarrolla el diseño geotécnico de la cimentación de ambos sitios revisando

los requerimientos de resistencia a compresión, volteo, arrancamiento y deslizamiento conforme al

capítulo anterior, y por último se dan una serie de recomendaciones para la construcción de las

mismas.


5

1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS LÍNEAS DE TRANSMIS IÓN. La energía que se genera en las centrales eléctricas es conducida a los centros de consumo a través de las líneas de transmisión, estas se componen principalmente por cables conductores de energía eléctrica, cables de guarda que protegen contra descargas atmosféricas a los conductores, estructuras de soporte: torres o postes troncónicos de acero; y subestaciones eléctricas que transforman la tensión de la energía, foto 1.1.

Foto 1.1 Componentes de una línea de transmisión (cortesía de CFE).

1.1 Torres Autosoportadas. Las estructuras de soporte pueden ser postes o torres, foto 1.2. Una torre de transmisión se compone de elementos estructurales formados por ángulos, placas de conexión, tornillos y herrajes de sujeción de conductores, figura 1.1; y su función es soportar los conductores y cables de guarda de tal forma que la conducción de energía eléctrica se realice con seguridad, eficiencia y bajo costo.

Diseño Geotécnico de la cimentación a base de zapatas aisladas ancladas en roca para el proyecto L. T. Quevedo

Foto

Figura 1.1 Elementos estructurales que componen una torre de transmisión

En el diseño estructural de las torres se busca resistir la acción de fenómenos naturales tales como el viento, hielo y sismo, manteniendo la estabilidad de la estructura con deformaciones admisibles, no permanentes. Las torres que componen la línea de transmisión se clasifican de acuerdo a su tensión de operación, al uso de la estructura, número de circuitos y el número de conduc


Foto 1.2 Estructuras de soporte: postes y torres (propia)

Elementos estructurales que componen una torre de transmisión

En el diseño estructural de las torres se busca resistir la acción de fenómenos naturales tales como el manteniendo la estabilidad de la estructura con deformaciones admisibles, no

Las torres que componen la línea de transmisión se clasifican de acuerdo a su tensión de operación, al uso de la estructura, número de circuitos y el número de conduc


6

Elementos estructurales que componen una torre de transmisión (propia).

En el diseño estructural de las torres se busca resistir la acción de fenómenos naturales tales como el manteniendo la estabilidad de la estructura con deformaciones admisibles, no

Las torres que componen la línea de transmisión se clasifican de acuerdo a su tensión de operación, al uso de la estructura, número de circuitos y el número de conductores por fase. Su


designación se realiza mediante cuatro y hasta seis dígitos que corresponden a las características particulares de cada torre, de esta manera se tiene:

� Primer digito Designa la tensión de operación a la que trabaja la línea de transmislíneas de transmisión más comunes se diseñan para las siguientes tensiones:

� Segundo digito

A lo largo del eje de la línea de transmisión podemos encontrar estructuras: suspensión , deflexión y remate

Figura 1.2 Estructuras de sopo

Las estructuras de suspensióncables de tensión, herrajes, y accesorios, las acciones producidas por viento y sismo, los esfuerzos producidos durante la construcción y el montaje y ldeflexión (foto 1.3b) están estructuras de suspensión, también los esfuerzos producidos por cambio de dirección en el trazo de la línea; y las estructuras de rematelínea de transmisión y llegan o


designación se realiza mediante cuatro y hasta seis dígitos que corresponden a las características particulares de cada torre, de esta manera se tiene:

Designa la tensión de operación a la que trabaja la línea de transmisión, en la República Mexicana líneas de transmisión más comunes se diseñan para las siguientes tensiones:

Tensión (kV ) Digito 400 4 230 2 115 1

Segundo digito - Uso de la estructura

A lo largo del eje de la línea de transmisión podemos encontrar principalmente deflexión y remate , figura 1.2

Estructuras de soporte en una línea de transmisión. (Carta topográfica

suspensión (foto 1.3a) tienen la función de soportar las cargas debidas al peso de cables de tensión, herrajes, y accesorios, las acciones producidas por viento y sismo, los esfuerzos producidos durante la construcción y el montaje y la eventual rotura de cables; las estructuras de

diseñadas para resistir, además de las cargas mencionadas para las estructuras de suspensión, también los esfuerzos producidos por cambio de dirección en el trazo de la

remate (foto 1.3c) son aquellas que encuentran al principio y al final de la nea de transmisión y llegan o salen de las subestaciones, por lo que están sujetas adicionalmente a


7

designación se realiza mediante cuatro y hasta seis dígitos que corresponden a las características

n la República Mexicana las

principalmente tres tipos de

rte en una línea de transmisión. (Carta topográfica INEGI.)

soportar las cargas debidas al peso de cables de tensión, herrajes, y accesorios, las acciones producidas por viento y sismo, los esfuerzos

eventual rotura de cables; las estructuras de diseñadas para resistir, además de las cargas mencionadas para las

estructuras de suspensión, también los esfuerzos producidos por cambio de dirección en el trazo de la encuentran al principio y al final de la

por lo que están sujetas adicionalmente a


cargas permanentes horizontales debidas a la tensión las cargas anteriormente mencionadas

a) Torres de Suspensión


cargas permanentes horizontales debidas a la tensión mecánica no compensada de los cables, más eriormente mencionadas.

) Torres de Suspensión (propia). b) Torre de Deflexión

c) Torre de Remate (cortesía de CFE)

Foto 1.3 Principales tipos de torres de transmisión.


8

mecánica no compensada de los cables, más

) Torre de Deflexión (propia).


9

En algunas ocasiones es posible encontrar líneas de transmisión compuestas por tramos aéreos y subterráneos, en estos casos existen estructuras denominadas de transición que permiten el cambio de un tramo a otro, figura 1.3.

Figura 1.3 Torre de Transición (cortesía de CFE).

La nomenclatura utilizada para designar a los diferentes tipos de Torres es la siguiente:

Nomenclatura Uso

Nomenclatura Uso

A Suspensión, claros cortos Y Deflexión, hasta 90° B Suspensión, claros medios R Remate C Suspensión, claros largos S Transición X Deflexión, hasta 30° W=YR Deflexión y remate

Tabla 1.1 Nomenclatura de las Torres de Líneas de Transmisión (propia).

� Tercer digito

Indica el número de circuitos, y para torres combinadas se selecciona el mayor.

� Cuarto digito Es el número de conductores por fase.


10

1.1.1 Geometría de la Torre. Estructuralmente las torres son de dos tipos: autosoportadas o con retenidas, figura 1.4.

Figura 1.4 Torre con retenidas (propia).

Las torres autosoportadas a su vez pueden ser verticales o tipo delta, figura 1.5 y 1.6 respectivamente.

Figura 1.5 Torre tipo Vertical (figura propia, foto cortesía CFE).


Figura 1.6 Torre tipo delta

Las partes que componen una torre vertical auto

� Ángulos de anclaje en cimentación (stub).� Extensiones. � Cerramiento. � Cuerpo piramidal (aumentos o extensiones de cuerpo).� Cuerpo común (incluidos en todos los niveles de torre).� Cintura. � Cuerpo recto.� Crucetas de conductor (triangular o rectangular).� Crucetas de cable de guarda (triangular o rectan� Cuadro de cerramiento.� Cuadro de cintura.� Cuadro en conexiones de cuerda inferior de crucetas a cuerpo recto.� Cadena de aisladores (en V o vértices).

Para el caso de una torre tipo delta, los elementos que la composon:

� Ángulos de anclaje en cimentación (stub).� Extensiones. � Cerramientos.� Cuerpo piramidal (aumento o extensiones de cuerpo).� Cuerpo común (incluidos en todos los niveles de torre).� Cintura. � Cabeza de torre.� Crucetas de conductor (triangular o


Torre tipo delta (figura propia, foto tomada de la galería de JuanShot en

Las partes que componen una torre vertical auto-soportada se muestran en la

Ángulos de anclaje en cimentación (stub).

Cuerpo piramidal (aumentos o extensiones de cuerpo). Cuerpo común (incluidos en todos los niveles de torre).

Cuerpo recto. Crucetas de conductor (triangular o rectangular). Crucetas de cable de guarda (triangular o rectangular). Cuadro de cerramiento. Cuadro de cintura. Cuadro en conexiones de cuerda inferior de crucetas a cuerpo recto.Cadena de aisladores (en V o vértices).

Para el caso de una torre tipo delta, los elementos que la componen se muestran en la

Ángulos de anclaje en cimentación (stub).

Cerramientos. Cuerpo piramidal (aumento o extensiones de cuerpo). Cuerpo común (incluidos en todos los niveles de torre).

Cabeza de torre. Crucetas de conductor (triangular o rectangular).


11

de la galería de JuanShot en www.flickr.com ).

rtada se muestran en la figura 1.7, y son:

Cuadro en conexiones de cuerda inferior de crucetas a cuerpo recto.

nen se muestran en la figura 1.8 y


� Crucetas de cable de guarda (triangular o rectangular).� Cuadros de cerramiento.� Cuadro de cintura.� Cadena de aisladores (en V o vértices)

Figura 1.7 Componentes estructurales de una Torre tipo Vvertical de cables conductores)


Crucetas de cable de guarda (triangular o rectangular). Cuadros de cerramiento. Cuadro de cintura. Cadena de aisladores (en V o vértices)

Componentes estructurales de una Torre tipo Vertical de Suspensión, dos circuitos (con vertical de cables conductores) (cortesía de CFE).


12

Suspensión, dos circuitos (con disposición


Figura 1.8 Componentes estructurales de una Torre tipo D(cortesía de CFE).

1.1.2 Cargas para el diseño estructural de la Torre. Las líneas de transmisión están sometidas a

� Cargas debidas al peso � Cargas debidas a eventos climáticos: viento

características particulares� Cargas debidas a maniobras de tendido durante la construcción.� Cargas por mantenimiento.


Componentes estructurales de una Torre tipo Delta de suspensión, un circuito

Cargas para el diseño estructural de la Torre.

Las líneas de transmisión están sometidas a diversos tipos de cargas durante su vida útil, como son:

l peso propio de los componentes de la línea. Cargas debidas a eventos climáticos: viento y hielo (este cuando se indique en las

sticas particulares). Cargas debidas a maniobras de tendido durante la construcción. Cargas por mantenimiento.


13

elta de suspensión, un circuito (con disposición horizontal)

tipos de cargas durante su vida útil, como son:

y hielo (este cuando se indique en las


14

Las condiciones básicas de carga que deben considerarse en el diseño estructural de torres para Líneas de Transmisión son las siguientes:

a. Cargas que actúan directamente sobre la torre:

� Peso propia de la torre, de las cadenas de los aisladores, herrajes y accesorios. � Acción del viento sobre el cuerpo de la torre, cadena de aisladores y herrajes. � Cargas concentradas por tendido (peso de linderos y equipo).

b. Cargas que transmiten los cables a la torre:

� Por el peso propio de los cables que soporta y en su caso, por el peso del hielo que se

acumule en estos. � Por la acción del viento sobre los propios cables. � Por tensiones mecánicas en los cables (proyectadas en las direcciones que produzcan la

carga máxima sobre la torre) debida a condiciones propias del proyecto, cambios de dirección de la línea y tendido.

Las cargas anteriormente mencionadas se designan mediante las siguientes literales: PE: carga vertical debida al peso de la torre. PA: carga vertical debida al peso de las cadenas de aisladores, herrajes y accesorios. PC: carga vertical debida al peso de los cables conductores y de guarda. PCH: carga vertical debida al peso los cables conductores y de guarda y hielo acumulado en estos. PVM: cargas verticales debidas al personal y su equipo respectivo, aplicadas en las combinaciones

de tendido. PM: cargas verticales debidas al mantenimiento. VA: carga por viento que actúan sobre las cadenas de aisladores y herrajes. VC: carga por viento que actúan sobre los cables conductores y de guarda. VCH: carga por viento reducido que actúa sobre los conductores y de guarda en lo cuales se ha

acumulado hielo. VE: cargas por viento que actúan sobre la torre. V: la velocidad regional máxima de viento. VR: la velocidad reducida de viento. TC: cargas por tensiones mecánicas en los cables (proyectadas en las direcciones que produzcan

la carga máxima sobre la torre. CT: componente transversal producida por la tensión máxima de los cables debida a la deflexión

de la línea. Debido a la diversidad de condiciones climáticas y topográficas que existen en la República Mexicana se pueden presentar condiciones en las que, por ejemplo, la fuerza del viento sea muy representativa o la presencia de hielo sea predominante. En el análisis estructural se consideran las posibles variantes que afecten el correcto funcionamiento de la torre, estas variantes se establecen en las combinaciones de carga mostradas en la tabla 1.2, tomando para el diseño de la torre, la más desfavorable de ellas. En estas combinaciones se incluye el Factor de Carga Vertical (FCV) que permite dar una mayor confiabilidad en la utilización de las


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estructuras, para cargas verticales: FCV=1.5. También se considera el Factor de Carga Global (FCG) que permite coordinar la resistencia mecánica entre los principales componentes de la línea, para torres de suspensión FCG=1.0 y para torres de remate y deflexión FCG=1.18

Combinaciones de carga Condiciones básicas incluida s Viento

a Normal con viento regional máximo (PE+VE+VA+VC+TC+CT)*(FCG)+(PA+PC)*FCV VM

b Tendido (suspensión) (PE+VE)*FCG+(PA+PC)*1.5+(VA+VC+TC+CT)*1.1+PVM VR

c Tendido (deflexión y remate) (PE+VE+VA+VC+TC+CT)*FCG+(PA+PC)*1.5+PVM VR

d Mantenimiento PM VR

e Normal con hielo (PE+VE+VA+VCH+TC+CT)*FCG+(PA+PCH)*FCV VR

Tabla 1.2. Combinaciones y factores de carga. (Especificación CFE J1000-50-2002 Torres para Líneas de Subtransmisión y Transmisión).

Los lineamientos que se deben cumplir en la clasificación, análisis, diseño estructural, fabricación, montaje y pruebas mecánicas en prototipos de las torres autosoportadas son explicados con mayor detalle en la Especificación CFE J1000-50 “Torres para líneas de subtransmisión y transmisión”. Del análisis estructural solo utilizaremos los elementos mecánicos actuantes en la cimentación.

1.2 Cimentaciones para Torres Autosoportadas. Las cimentaciones para torres de líneas de transmisión son superficiales o profundas. Técnicamente las cimentaciones superficiales se desplantan a una profundidad menor a 5 m y se conforman por zapatas aisladas o corridas, zapatas aisladas ligadas con contratrabes, pilas cortas y pilones o zapatas ancladas en roca, así como muertos de anclajes para el caso de torres con retenidas. Mientras que las cimentaciones profundas pueden ser pilas o pilotes. De acuerdo a la especificación CFE JA100-64 “Cimentaciones para Líneas de Transmisión”, para el diseño de la cimentación de una torre de transmisión debe considerarse además de la situación geográfica, la condición geológica evaluada conforme a la especificación CFE 10000-63 “Estudio Geológico para la Ubicación de una Línea de Transmisión”, y aunado a este debe realizarse el estudio geotécnico de acuerdo a la especificación CFE C0000-43 “Estudios Geotécnicos para Estructuras de Líneas de transmisión” Cuando en los trabajos de exploración geotécnica se han encontrado afloramientos superficiales de roca, la solución más factible para la cimentación de la torre es a base de zapatas aisladas ancladas al estrato rocoso, esto se debe a que la resistencia a la compresión simple de la roca generalmente satisface las solicitaciones de la capacidad de carga por compresión, sin embargo los esfuerzos ocasionados por tensión y los momentos de volteo actuantes son absorbidos por las anclas. Para este caso, adicionalmente al estudio geológico y geotécnico deben realizarse ensayes de extracción de anclas de acuerdo a la especificación CFE C0000-42, “Anclas de fricción para cimentación”. Una vez hecho el estudio geotécnico y el ensayo de extracción de anclas se realiza el diseño de la cimentación cuyo objetivo es dimensionar las zapatas y las anclas de fricción necesarias y su longitud para satisfacer las solicitaciones geotécnicas y estructurales de acuerdo a la normatividad.


16

1.2.1 Normatividad aplicable al diseño de la cimentación. 1.2.1.1 “Estudio geológico para la ubicación de una línea de transmisión” CFE 10000-63. Los estudios geológicos son de gran importancia ya que representan el punto de partida para los proyectos de grandes obras. El buen funcionamiento de las obras depende principalmente de la manera en que fueron adaptadas a las condiciones geológicas del terreno. En lo que respecta a los proyectos de Líneas de Transmisión de Energía Eléctrica, los estudios geológicos deben realizarse desde el momento en que se inicia la elección del trazo de la línea con el fin de seleccionar la mejor alternativa de trayectoria. Cuando a lo largo de la línea de transmisión se encuentra afloramientos de roca es necesario realizar trabajos de campo que nos permitan obtener la información necesaria para evaluar su comportamiento mecánico, planificar las fases de investigación más avanzadas y dar una interpretación de los resultados obtenidos. A continuación se describen los parámetros geológicos que de acuerdo a la especificación se requieren para la descripción de afloramientos. a) Color de la roca al intemperismo y al fresco.

b) Intemperismo de la roca: Consiste en distinguir qué tan afectada ha sido la roca por los

agentes del intemperismo. Esto es importante, ya que una roca intemperizada generalmente es menos resistente y menos estable, Tabla 1.3.

Término Descripción

Fresca No se observan signos de meteorización en la matriz rocosa.

Decolorada Se observan cambios del color original de la matriz rocosa. Es conveniente indicar el grado de cambio, mencionando si este cambio se restringe a un o algunos minerales.

Desintegrada La roca se ha alterado al estado de un suelo (fragmentos de roca con diámetro menor a 3”), manteniéndose el arreglo de sus minerales de forma original.

Descompuesta La roca se ha alterado al estado de un suelo o todos los minerales están descompuestos.

Tabla 1.3. Descripción del grado de meteorización. (Adaptado de González de Vallejo et al., 2004).

c) Textura de la roca. Proporciona las relaciones que tienen los constituyentes de la roca, y en

algunas ocasiones nos orienta sobre el origen de la misma. La identificación visual de la roca se establece a partir de las siguientes observaciones:

� Composición mineralógica: Algunas propiedades de las rocas como la resistencia vienen

determinadas en gran medida por la composición mineralógica y estructura interna, así tenemos por ejemplo, que las rocas cuyo cementante es el cuarzo resultan las más resistentes, seguidas por aquellas cuyo cementante es la calcita y minerales ferromagnesianos, y las menos resistentes son las arcillosas. La identificación de los minerales que conforman a la roca puede realizarse a partir de una lupa, cuando las dimensiones lo permiten, aunque un análisis petrográfico permite una identificación más detallada para la clasificación litológica de la roca


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� Tamaño de grano: Se refiere a las dimensiones medidas de los minerales o fragmentos de

roca que constituyen a la matriz rocosa. La estimación se realiza normalmente de manera visual con la ayuda de una regla o de comparadores de tamaño.

� Color: El color de la roca depende de los minerales que la componen, generalmente estos

poseen un color distintivo, sin embargo, contienen sustancias o impurezas que los modifican, cuando la roca no ha sufrido procesos de alteración, por ejemplo, puede presentar su color original y definirse como una roca sana. Este parámetro se describe frecuentemente dando un color principal seguido de uno secundario e indicando, por último la intensidad que presenta (por ejemplo: granito gris verdoso claro) y principalmente nos sirve para indicar si el material ha sufrido procesos de meteorización.

d) Dureza: Es una propiedad relacionada directamente con la resistencia y depende

principalmente de la composición mineralógica y del grado de alteración que afecta a la roca. Puede evaluarse mediante la escala de Mohs, que consiste en diez minerales dispuestos en orden desde 1 (el más blando: talco) hasta 10 (el más duro: diamante), y ofrece una clasificación relativa de la roca porque no implica que el mineral marcado, por ejemplo, como 2 (yeso) sea dos veces más duro que el mineral 1 (talco).

e) Fracturamiento. Nos da a conocer la calidad de la roca.

f) Estructuras primarias: Hace referencia a cualquier plano de separación en el macizo rocoso,

pudiendo tener origen sedimentario como las superficies de estratificación y laminación o tectónico, como las diaclasas y las fallas

g) Rumbo y echado de la roca. Estas mediciones se efectúan con la brújula, auxiliados con la

libreta de notas o alguna tabla, la cual se coloca paralelamente a la capa de la roca para obtener una medición más exacta. Con el rumbo y echado de las capas conocemos la orientación de las mismas, información útil para la construcción de secciones estructurales y para la posterior definición de la geología estructural del área.

Es importante, además de los puntos anteriores, la verificación de las áreas en donde se distinguieron durante la interpretación fotogeológica, fallas y fracturas de importancia para el trabajo. En este caso se debe identificar el tipo de falla o de fractura, su rumbo y echado, las características del material de la zona de falla, su magnitud y de ser posible establecer su edad con respecto a las unidades litológicas, para determinar en el caso de las fallas, si son o no activas. Se describen también las características del plano o planos de falla y qué tanto han afectado la estabilidad del área dentro de la cual se localizan. Las zonas inestables son, sin duda, otro de los aspectos importantes que deben considerarse para el trazo de una línea de transmisión, toda vez que el desplante de la cimentación de una torre de transmisión en una zona inestable puede provocar su derrumbe. Para este tipo de trabajos se han considerado atendiendo a sus causas tres tipos de zonas inestables:

� Zonas inestables provocadas por fracturamiento y fallas.


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� Zonas inestables provocadas por fallas de talud en rocas blandas o materiales sobresaturados.

� Zonas inestables por colapso. Zonas que debido a su peso propio pueden sufrir asentamientos diferenciales y se identifican por lo general por la forma semicircular que ostentan principalmente en las calizas, rocas susceptibles de presentar disolución por la presencia de agua.

1.2.1.2 Estudios geotécnicos para estructuras de lí neas de transmisión, CFE C0000-43. Para torres autosoportadas de líneas de transmisión se deben tener los siguientes trabajos mínimos de campo y laboratorio:

a) Deben excavarse pozos a cielo abierto en todos y cada uno de los puntos de inflexión de la línea y en los sitios de las estructuras de tensión. En los casos en que los puntos de inflexión se encuentre a menos de 1 km entre ellos, y no exista un cambio apreciable en las condiciones del suelo, se acepta espaciar los pozos a cada 5 km. En tangentes deben excavar pozos a cada 5 km o antes si existe un cambio en el tipo de roca o en la topografía. Estos pozos deben excavarse a una profundidad mínima de 3 m o la limitada por el nivel de aguas freáticas o por la presencia de suelos que contengan boleos o que por sus características de dureza requieran para su excavación de barretas o rompedoras. Los pozos deben poseer las dimensiones mínimas necesarias para la obtención de muestras.

b) Se realizan sondeos con posteadora o equipo portátil motorizado equipado con barrenas helicoidales, en función de la dureza del terreno, en los sitios donde se encuentran localizadas las estructuras de la línea de transmisión.

c) En las zonas montañosas se definen los sitios donde aflore la roca mediante el estudio geológico a lo largo del trazo de acuerdo a la especificación CFE 10000-63.

d) En zonas bajas, inundables, de suelos compresibles y en cruces de ríos, deben realizarse las exploraciones y muestreos necesarios para establecer la estratigrafía y las propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas del subsuelo.

e) Cuando se utilicen pilas de cimentación deben realizarse Sondeos de Penetración Estándar (SPT) o sondeos mixtos en cada punto de inflexión y en tangentes largas a cada 4 km.

f) En las zonas donde aflore roca o se encuentre a menos de 2 m de profundidad, deben realizarse pruebas de extracción de anclas conforme a la especificación CFE C0000-42, en cada tipo de roca definido en la zonificación geotécnica o en el 15% del total de las torres de la línea de transmisión, se aplica el mayor número de las pruebas.

Todas las muestras de obtenidas deben identificarse y clasificarse en laboratorio determinando su contenido de agua y peso volumétrico, además de determinar sus límites líquido y plástico, peso específico relativo de sólidos, granulometría y porcentaje de finos. A los especímenes obtenidos de muestras inalteradas se les realizan pruebas de compresión simple y triaxiales.


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A los núcleos de roca se les determina su clasificación litológica, porcentaje de recuperación e índice de calidad de la roca (RQD), así como su peso específico y pruebas de compresión simple. Con base a los trabajos de campo y laboratorio, se deben elaborar los perfiles estratigráficos del subsuelo donde se dibujan los resultados de los sondeos efectuados. Se analizan las alternativas de cimentación más convenientes, definiendo la profundidad de desplante y la longitud de anclaje para el caso de cimentaciones superficiales anclas en roca, así como el procedimiento constructivo más conveniente. 1.2.1.3 Perforación con máquina rotaria y recuperac ión de muestras de núcleo, especificación

CFE 10100-36. Los sondeos por rotación se usan en los suelos duros y rocas a fin de recuperar núcleos para su clasificación y para ensayes mecánicos, siempre que el diámetro de los mismos sean suficientes. Pueden perforar cualquier tipo de suelo o roca hasta grandes profundidades y con distintas inclinaciones (Foto 1.4)

Foto 1.4 Sondeo con equipo rotatorio (propia).

El equipo utilizado se describe a continuación: Máquina Perforadora Rotatoria : es una máquina que proporciona rotación, tiene alimentación de fluido de perforación y retracción por medios hidráulicos neumáticos o mecánicos a la sarta de perforación, figura 1.9 y 1.10, está compuesta en forma modular por:


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a) Patín: armazón tipo trineo, hecho de acero estructural, que proporciona larga duración al equipo, aún en condiciones inclementes de operación; su diseño modular permite el fácil traslado de la máquina, utilizando el dispositivo de auto-propulsión, que consiste en conductores, poleas acanaladas y rodillos, los cuales facilitan el desplazamiento de la máquina mediante su propia potencia, utilizando el cable de acero del malacate.

b) Motor: el diseño modular de la perforadora permite adaptar el tipo de motor requerido

para un trabajo específico, normalmente el motor es de combustión interna y funciona con diesel o gasolina, pero puede adaptársele un motor eléctrico o neumático, en excavaciones subterráneas donde la ventilación es precaria.

c) Transmisión, embragues y malacates: elementos mecánicos montados sobre el patín que contienen el conjunto de la transmisión y el tren de engranes para los malacates con sus respectivos embragues y palancas de control.

Figura 1.9 Máquina perforadora rotatoria (propia).


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Figura 1.10 a) Barra de avance, b) chuck o broquero y c) sistema hidráulico (propia).

d) Cabezal hidráulico con mandril automático o “chuck”: es el modular donde se realiza la operación de la perforación y consta de: � Mandril automático: es el que sujeta la tubería de perforación por medio de tres

mordazas, que accionadas con resortes abren o cierran hidráulicamente.

� Cabezal hidráulico giratorio: es el que ejerce el control preciso de la presión contra la roca y da el ritmo de penetración (una bomba de volumen variable libera la cantidad precisa de aceite al cabezal y permite la penetración efectiva de la broca en formaciones rocosas que cambian constantemente). Dos cilindros grandes proveen fuerte presión a la línea, impulsando la barra y agilizando el retroceso al mandril o “chuck”-, el amplio espacio entre los cilindros y la barra guía le confieren gran rapidez y suave funcionamiento.

� Mástil o tripié: es el complemento de la máquina perforadora y puede ser de dos

formas: en tripié hecho con tubos galvanizados de 101.6 mm de diámetro y 6 m de largo (los tubos puede estar segmentados), en uno de los extremos se les hace una agujero de 12.70 mm para unir con un perno los tres tubos y sujetar el juego de poleas de 203.20 mm de diámetro. La otra forma es utilizando una torres de 8 m de altura, fabricada con acero estructural, cuyo diseño debe ser tal que facilite las maniobras, sin embargo, no es muy recomendable su uso en terrenos de acceso accidentado por lo difícil de su traslado y maniobrabilidad.

Sarta de perforación, figura 1.11:

a) Conexión giratorio tipo “swivel”: es la herramienta que encabeza la sarta y es por donde se inyecta el fluido de perforación. Tiene tres funciones: sostiene la sarta de perforación, permite el movimiento rotacional a la sarta sin que giren la manguera de inyección ni el cable que sostiene a la sarta e inyecta el fluido de perforación. Entre el asa y el cuerpo del tipo “swivel” existe un balero que le da el movimiento al perno donde se conecta a la tubería de perforación.


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b) Tapón elevador: herramienta útil para subir o bajar las barras de perforación durante las

maniobras de acople-descople. c) Barras de perforación: existen varias medidas de tubería o barras de perforación, pero

las más usuales son las denominadas NQ con 69.9 mm de diámetro exterior y HQ con 89.9 mm de diámetro exterior, normalmente se utilizan tramos de 3.05 m de longitud con un peso aproximado de 23.4 kg la de diámetro NQ y de 34.4 kg para la HQ.

d) Tubería de ademe: normalmente se utiliza para proteger las paredes de un barreno en el

inicio del brocal, ya que es la zona más susceptible de sufrir derrumbes debido a varios factores como son: presencia de materiales no consolidados, roca intemperizada, roca intensamente fracturada o ambas y rocas blandas deleznables de poca cohesión. Para el hincado de la tubería de ademe es necesario cambiar la sarta con equipo adicional. Existen otros métodos para estabilizar los caídos o derrumbes; los más comunes son el lodo bentonítico y lechada de cemento, pero el que altera menos la columna estratigráfica es el uso de la tubería, la cual se conoce como tubería de ademe, regularmente de diámetro NW (D. I. 76.2 mm y D. E. 88.9 mm) o HW (D. I. 101.6 mm y D. E. 114.3 mm).

Designación del aparato y barril de extracción

Diámetro exterior del trépano del

barril de extracción,

(mm).

Designación de la barra de perforación

Diámetro exterior de la barra de

perforación, (mm).

Diámetro del barreno,

(mm).

Diámetro de la muestra de la roca,

(mm).

Ex 36.51 E 33.34 38.1 22.23

Ax 47.63 A 41.28 50.8 28.58

Rx 58.74 B 47.63 63.5 41.29

Nx 74.61 N 60.33 76.20 53.98

Tabla 1.4. Tamaño estándar y designación del aparato, barril de extracción y barra perforadora compatible. Braja M.

Das.


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Figura 1.11 Equipo utilizado para perforación rotatoria (Especificación CFE 10100-36).

Barril muestreador: El fin de un programa de barrenación geotécnica es poder reconstruir la muestra completa del macizo en un estado lo más cercano posible a su condición original. Esto sólo se logra si la muestra entra en un tubo muestreador, de modo que la rotación del barril exterior, en cuya extremidad se encuentra la broca, no tuerza y rompa el núcleo. Existen en el mercado diversos tipos de barriles muestreadores, que han sido diseñados con características propias para obtener muestras de núcleos de distintos materiales geológicos. La selección del tipo de barril muestreador que se debe utilizar en un sitio determinado debe ser bajo el criterio y responsabilidad del ingeniero. Los barriles usados con mayor frecuencia son los siguientes:

� Barril simple o sencillo: Es el primer barril por medio del cual se logró la recuperación de muestras de manera rudimentaria, constan esencialmente de un tubo muestreador, la rima, retenedor de muestra y broca, figura 1.12a., en el, el fluido de perforación lava la superficie del testigo, este efecto y el de la rotación del tubo pueden dar lugar al desmenuzamiento de suelos parcialmente cementados o de rocas blandas. Por esta

Manguera de swivel

Conexión giratoria

Asa elevedora

Reductor

Buje

Quijadas del chuck

Rima de diamante

( swivel )

Máquina

Barra de perforación

Barra de perforación

Reductor

Barril muestreador

Opresor de muestra

Broca de diamante

Manguera de succión

Bomba

ReductorReductor

Barril de

Reductor

comienzo

Trépano decruz

Reductor aotra broca

Máquina para rosca API

Broca cola depescado


24

razón, el empleo del tubo simple se recomienda cuando no se exige una alta recuperación de muestras.

� Barril doble: Se utilizan cuando se requieren porcentajes de recuperación alto y

consta de un tubo exterior y uno interior donde se recupera el núcleo, se fabrican de dos tipos: Rígidos: En este tipo, el tubo interior está rígidamente unido a la cabeza del muestreador de tal manera que gira junto con el tubo exterior, por lo que el núcleo queda sujeto por la fricción a la pared interior del tubo y recupera muestras de buena calidad sobre todo en formaciones duras, figura 1.12b. Giratorios: Consisten en dos tubos concéntricos montados en una cabeza con baleros que permiten que el tubo interior permanezca sin girar; en este el agua desciende por el contacto entre ambos tubos, siendo en la base del tubo, en su unión con la corona, donde se pueden producir el lavado del testigo, figura 1.12c.

a) Barril simple

b) Barril doble rígido

c) Barril doble giratorio

Figura 1.12. Barriles muestreadores convencionales (Manual de diseño de obras Civiles, B.1.4)

Los barriles muestreadores se identifican según su diámetro como EX, AX, BX y NX, las muestras que se recuperan varían de 22 mm a 101.6 mm de diámetro; en la exploración geotécnica se deben obtener muestras NX de 54 mm de diámetro ya que a mayor diámetro se incrementa la calidad del muestreo, particularmente en rocas fracturadas. (Ver tabla 1.4)

Broca: es la superficie cortante que tiene pequeñas partículas filosas de carburo de tungsteno o diamante industrial que están acomodadas en franjas o en dientes en forma de sierra, diseñadas para


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cortar diferentes materiales geológicos, su selección está en función de la litología que se cortará, considerando la matriz de la broca, el acomodo de las partículas cortantes, las líneas de agua y el tamaño de los diamantes. Las brocas pueden ser de diamantes o del tipo cáliz. En las primeras, en el extremo de la tubería de perforación va colocado un muestreador especial llamado de “corazón”, en cuyo extremo inferior se acopla una broca de acero duro de incrustaciones de diamante industrial, que facilitan la perforación. En las segundas, los muestreadores son de acero duro y la penetración se facilita por medio de municiones de acero que se echan a través de la tubería hueca hasta la perforación y que actúan como abrasivo. En roca muy fracturada puede existir el peligro de que las municiones se pierdan. La colocación de los diamantes en las brocas depende el tipo de roca a atacar. En rocas duras es recomendable usar brocas con diamantes tanto en la corona como en el interior para reducir el diámetro de la muestra, y en el exterior para agrandar la perforación y permitir el paso del muestreador con facilidad. En rocas medianamente duras suele resultar suficiente emplear brocas con inserciones de carburo de tungsteno o widia (carburo de wolframio) en la corona. En rocas suaves, del tipo de lutitas, pizarras, entre otras, basta usar una broca de acero duro en diente de sierra. Rima: es la herramienta que se coloca entre el barril y la broca, se usa para cortar el borde del hueco anular y aumentar el diámetro de la perforación, también sirve como herramienta de protección para los demás elementos que constituye a la sarta de perforación. Opresor o “corelifter”: es un anillo partido y liso, en forma de canasta o de “dedos”, que se colocará en las extensiones del tubo interior o a la zapata, este mecanismo sirve para retener en el tubo interior la muestra de roca recuperada. Martinete: es una masa de acero, que se utiliza para hincar y extraer el ademe, esta montado sobre un tubo guía o corredera y tiene dos topes metálicos, donde golpea en sus extremos inferior y superior. Equipo auxiliar: es todo el equipo adicional que deberá tener el perforista durante los trabajos de perforación y debe incluir brocas tricónicas para avance, para boleos, cola de pescado y trépanos en cruz, cajas, llaves para desarmar el barril, reductores, llaves para maniobras de perforación, equipo de lubricación. Otros equipos complementarios como cajas para guardar las muestras de núcleo, marcadores, partidor de muestras de núcleo y flexómetros. El procedimiento a seguir en un sondeo a rotación e s el siguiente: El elemento de perforación rotatoria con extracción de muestras de núcleo se aplica en la exploración de rocas y suelos con dureza suficiente en los que no se puede utilizar los métodos convencionales, como el Sondeo de Penetración Estándar (SPT), aplicado en materiales blandos. De acuerdo al ASTM, se deben realizar perforación rotatoria si el material, que se está explorando, sólo se penetra como máximo 25.4 mm al suministrarle 50 golpes del método SPT, sin embargo, es importante que el ingeniero especialista encargado de la exploración haga valer su criterio para indicar cuál es el método de exploración directa que se debe utilizar en un sitio específico.


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Para iniciar el sondeo exploratorio se debe colocar adecuadamente el equipo de perforación en el punto seleccionado, anclar la máquina perforadora sobre la plantilla de concreto previamente construida y realizar la excavación para el depósito de lodos. Las barras, tubos de ademe y demás accesorios que se utilicen durante la operación deben colocarse en puntos estratégicos y cercanos para optimizar tiempos y recursos en el proceso. El barreno inicia cuando el barril muestreador empieza a cortar en la frontera aire-suelo o roca en las laderas, o en la frontera agua-material clástico en medios acuosos. En la parte superficial, cuando el material cortado no es de buena calidad o no está bien cementado, se procede a colocar la tubería del ademe hasta donde se encuentra el macizo sano o una unidad litológica firme, para prevenir derrumbes de las paredes del hueco anular cercanas a la superficie, o cuando las paredes pobremente consolidadas, alteradas o muy fracturadas, caigan obstruyendo el proceso de perforación, y se amplié el agujero sin geometría definida, o que quede atrapado el barril y si todo esto ocurre a grandes profundidades se puede perder la sarta de perforación y el barreno exploratorio. El hueco ademado también evita la pérdida de fluido de perforación (lodo de perforación o agua). Si ocasionalmente la barrenación inicia en roca de buena calidad y permite que el hueco del barreno permanezca abierta incluso por un periodo de tiempo mayor al utilizado para la exploración, en estos casos es costeable omitir la colocación del ademe. Es una práctica común que el barril muestreador utilizado sea de la serie N, del tipo “swivel” doble tubo giratorio, aunque el diámetro y tipo que se seleccione en cada barreno exploratorio debe ser aprobado por un ingeniero especialista encargado del estudio. El avance de la perforación está limitado por la longitud del barril muestreador, en el mercado se consiguen fácilmente de 1.52 m y de 3.05 m de longitud, aunque este último es el barril de longitud más común. Cuando el barril se llena a su máxima capacidad con el material cortado por la broca, inicia la extracción de la sarta de perforación o se extrae el tubo del interior del barril, según el tipo de barril que se utilice; ya en superficie se extrae la muestra de núcleo , en ocasiones ocurre que el muestreador se adhiere fuertemente a las paredes del barril, en este caso es necesario desarmarlo para recuperar y empacar del muestreador la roca barrenada; después de este proceso se ensambla el barril nuevamente a la sarta de perforación y se lleva hasta la profundidad barrenada; en este punto inicia la recuperación del material geológico a la profundidad del tramo inferior inmediato, el proceso se repite hasta alcanzar la profundidad establecida en el proyecto. La perforación a rotación se puede efectuar con circulación continua de agua, o lodo bentonítico, por medio de una bomba situada en la superficie, o en seco, aunque haya presencia de agua o lodo en el taladro. La circulación normalmente es directa, con flujo descendente, el fluido que se inyecta a la perforación sirve para arrastrar el material cortado y enfriar la broca. Una vez que el muestreador ha penetrado toda su carrera es preciso desprender la muestra de roca (corazón), que ha ido penetrando en su interior, de la roca matriz. Para ellos se han desarrollado diversos métodos técnicos. Por ejemplo suele resultar apropiado el interrumpir la inyección del agua, lo que hace que el espacio entre la roca y la parte inferior de la muestra se llene de fragmentos de roca, produciendo un empaque apropiado Las muestras de núcleo recuperadas deben colocarse ordenadamente en cajas especialmente preparadas para su transporte y almacenaje; la colocación del cilindro de roca en la caja de muestras debe ser de la esquina izquierda superior hacia la derecha, hasta acomodar la longitud total del


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sondeo, en orden descendente, de inicio a fin de la perforación. Las unidades litológicas que se alteran fácilmente al contacto con el medio ambiente deben protegerse con una envoltura de película plástica, siempre y cuando el material recuperado sea útil para someterlo a pruebas mecánicas, decisión que deberá tomar el ingeniero especialista. También es recomendable usar bloques de madera espaciadores para señalar una estructura perceptible donde no hay recuperación o para indicar un espacio vacío en la formación litológica. Si durante el proceso de barrenación se cortan materiales de naturaleza blanda que no alcanzan ni el 50% de recuperación, debido a que son fácilmente erosionados con el fluido utilizado como lubricante, se debe cambiar la técnica de perforación, sobre todo si es necesario extraer muestras representativas, cuyas recuperaciones deber ser cercanas al 100%, para obtener la columna litológica a detalle y muestras que tengan calidad para ser sometidas a pruebas de laboratorio y proporcionen datos geomecánicos confiables del macizo rocoso del sitio; después de cortar los materiales blandos e iniciar con los de naturaleza más dura se debe reanudar la exploración con maquina rotatoria usando broca de diamante. Las estructuras geológicas del lugar como la inclinación de la estratificación, la ocurrencia de las fracturas, cavidades, zonas muy fracturadas, de fallas, y los contactos litológicos, son los detalles más importantes que deben detectarse y describirse, por lo tanto se debe poner especial cuidado para obtener y registrar toda la información que proporcionen estos rasgos geológicos. Es importante resaltar que la descripción litológica de la columna de roca recuperada debe realizarse inmediatamente al extraerse la roca, con esto se evita que se pierdan datos importantes que ocurren cuando la roca se altera inmediatamente al contacto con el medio ambiente o cuando se maltrata durante el traslado al almacén de las muestras. El éxito de una maniobra de perforación rotatoria depende fundamentalmente del balance de tres factores principales: la velocidad de rotación, la fuerza axial sobre la broca y el gasto del fluido de perforación que se inyecte. La experiencia del operador y el cuidado de la supervisión son también muy significativos. En sondeos profundos, es necesario controlar la desviación que pueda producirse en la dirección prevista del sondeo, por la tendencia a seguir la inclinación de las capas o estratos. En formaciones muy fracturadas es necesario estabilizar la perforación empleando ademe metálico o bien inyectando cemento para rellenar la zona inestable, una vez que fragüe, se inicia la perforación. La calidad del muestreo se debe juzgar a través del porcentaje de recuperación calculado con:

100rmuestreadodel longitud

muestrala de longitud(%)Re ×

=c 1.1

Si la recuperación es mayor del 85% el muestreo es bueno y si es mayor de 95% es excelente. La clasificación y descripción de las muestras debe incluir el índice de calidad de la roca RQD (Rock Qualty Designation); que consiste en un índice cuantitativo de calidad de la roca propuesto por Deer en 1964, basado en la recuperación de núcleos obtenidos en la perforación con diamante. Y que se


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define como el porcentaje de núcleos que se recuperan en piezas enteras de 100 mm o más del largo total del barreno.

100odel barren avance de longitud

100mma iguales o mayores nucleos de longitudla de×

= ∑RQD% 1.2

Figura 1.13 Obtención del valor de RQD en un núcleo de roca (Adaptado de Clayton et al., 1995 en González de

Vallejo et al., 2004).

La medida del RQD se debe realizar conjuntamente con el registro geológico normal durante los trabajos del sondeo, o en cada cambio litológico, siendo recomendable que la longitud de maniobra no exceda de 1.5 m. La medida de la longitud del testigo se realiza sobre el eje central del mismo, considerándose los fragmentos con, al menos, un diámetro completo. Deer propuso la siguiente relación entre el valor numérico del RQD y la calidad de la roca, desde el punto de vista de la ingeniería:

RQD CALIDAD DE LA ROCA < 25 % Muy mala

25 – 50 % Mala 50 – 75 % Regular 75 – 90 % Buena

90 – 100 % Muy buena

Tabla 1.5 Clasificación de rocas en función del valor obtenido de RQD (Adaptado de González de Vallejo et al., 2004).

.

1.2.1.4 Anclas de fricción para cimentaciones, espe cificación CFE C0000-42. La especificación señala que deben realizarse ensayes de extracción de anclas en al menos el 5 al 10% de los sitios de estructuras en donde se utilicen cimientos anclados de la línea, seleccionados por la Supervisión de Construcción o a la Gerencia de estudios de Ingeniería Civil (GEIC). Para la correcta ejecución del ensayo se requiere del siguiente equipo y herramienta. Los equipos e instrumentos de medición mencionados deben estar calibrados por un organismo acreditado (Laboratorio de calibración con trazabilidad a patrones nacionales e internacionales).


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� Viga de acero de reacción

para el soporte del gato.

Foto 1.5 Viga de acero (cortesía de de CFE).

� Cuatro extensómetro de carátula con 50 mm de carrera y 0.01 mm de exactitud calibrados (dos colocados en el ancla y dos en los extremos para medir las deformaciones del terreno).

Foto 1.6 Extensómetros (cortesía de CFE).

� Bases magnéticas para sujeción de extensómetros.

Foto 1.7 Bases magnéticas (cortesía de CFE).


� Gato hidráulico de pistón

hueco calibrado, con intervalo de medición mayor a la carga especificada para la prueba y carrera mínima de 50 mm.

� Bomba hidráulica manual

con manómetro calibrado o sistema de manómetros apropiados para la carga de la prueba.

� Sistema de soporte de los

extensómetros para medición de desplazamientos (sistema fijo de referencia)

� Dispositivo en forma de hélice para el apoyo del vástago de los extensómetros.

� Juego de tejo y mordazas. � Herramientas menores


de pistón hueco calibrado, con intervalo de medición mayor a la carga especificada para la prueba y carrera mínima

Foto 1.8 Gato hidráulico (cortesía de C

manual con manómetro calibrado o sistema de manómetros apropiados para la carga de

Foto 1.9 Bomba hidráulica (cortesía de C

de los extensómetros para medición de desplazamientos (sistema

Dispositivo en forma de para el apoyo del

vástago de los

Juego de tejo y mordazas.

Foto 1.10 Sistema de soporte de los extensómetros


30

(cortesía de CFE).

(cortesía de CFE).

Sistema de soporte de los extensómetros (cortesía de CFE).


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a) Actividades previas:

� Perforación en roca. Se realizan los barrenos para el anclaje con un diámetro que exceda en 25.4 mm el diámetro del ancla ó con un diámetro de 5.1 cm como mínimo, y una profundidad definida por la longitud necesaria para la correcta fijación del ancla al terreno (longitud mínima de anclaje). Para efectuar la barrenación es necesario utilizar preferentemente equipo neumático de rotopercusión, o en su caso equipo rotatorio.

� Limpieza del barreno. Una vez terminado, se procede a la limpieza del barreno, sopleteándolo con aire o lavándolo con agua, hasta que sea retirado el material molido producto de la barrenación, esto también se realiza en la perforación con el fin de retirar el polvo de las paredes.

� Colocación del mortero. El mortero por colocar debe tener una resistencia a la compresión simple, cf ' de 18 MPa; como mínimo a los 28 días, verificándose mediante cilindros de prueba.

Con el objeto de evitar pérdidas de agua en la mezcla, se saturan con agua las paredes, antes de vaciar el mortero en el barreno. Posteriormente se procede a vaciar el mortero dentro de la perforación, utilizando una manguera con suficiente longitud; de tal forma que se deposite en primera instancia el mortero en el fondo del barreno y se vaya avanzando hacia atrás conforme se desplace el agua previamente introducida, manteniendo la manguera siempre sumergida en la mezcla. Durante cada colado se elaborarán dos cilindros de prueba para su ensaye en laboratorio, a 7 y 28 días. Como un indicador, a los 7 días el mortero deberá tener al menos un 70% de la resistencia de diseño, pero la decisión de rechazarlo o no deberá ser tomada con base en las pruebas a 28 días.

� Instalación de las anclas: Para el anclaje se utiliza acero corrugado ( fy mínimo = 415

MPa), con diámetro mínimo de 2.54 cm y longitud efectiva de 3 metros dentro de la roca sana o la longitud definida por la expresión teórica siguiente:

dcf

fyLa

⋅⋅⋅=

π'10.0 1.3

Donde:

=La Longitud mínima de anclaje, cm.

=fy Resistencia a la fluencia del ancla, MPa

=cf ' Resistencia a la compresión simple del mortero, MPa

=d Diámetro del ancla, cm Para centrar el ancla dentro del barreno se deben soldar a su alrededor tres tramos de alambrón de 6.4 mm, espaciados a cada 800 mm a los largo del ancla. Las anclas deben sobresalir de la perforación una longitud mínima de 1.5 m para garantizar su adecuado anclaje al concreto del cimiento y permitir la colocación del equipo de prueba. En la figura 1.14 se presenta el esquema del arreglo de la ancla y del dispositivo para el ensaye de extracción de éstas.


32

Figura 1.14 Esquema de la prueba de extracción de anclas (cortesía de CFE).

b) Preparación del sitio:

Los apoyos de la viga deben instalarse sobre una superficie uniforme y fuera del área de influencia del ancla; la viga debe colocarse en forma perpendicular al ancla como se muestra en la foto 1.11. Una vez instalado el sistema de carga, se coloca el sistema de medición de desplazamientos, foto 1.12 y 1.13. Con el objeto de fijar el sistema de carga, antes de iniciar la prueba, debe aplicarse un precarga del orden de 5.0 kN. Realizado lo anterior, se deben ajustar los extensómetros para tomar las lecturas iniciales de referencia.

MORDAZA

A

5.08 cm (mínimo)

SECCIÓN A-A

MORTERO

ANCLA DE ACERO CORRUGADO (2.5 cm DIAM.)

VIGUETAS DE REACCIÓN

1 m (mínimo)

EXTENSÓMETRO

A

5.O8 cm

1 m (mínimo)

VIGUETAS DE REACCIÓN

MORTERO

3 m (mínimo)

GATO DE PISTÓN HUECO

ANCLA DE PRUEBA


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Foto 1.11 Colocación de apoyos de la viga

(cortesía de CFE).

Foto 1.12 Colocación del sistema de cargas

(cortesía de CFE).

Foto 1.13 Colocación de extensómetros

(cortesía de CFE)


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c) Desarrollo de la prueba: El ensaye se efectúa con carga controlada de acuerdo a lo siguiente: La velocidad de aplicación de carga debe estar en el intervalo de 5 a 10 kN/min. Las cargas se aplican por incrementos hasta llegar a la carga de diseño, registrándose los desplazamientos producidos, foto 1.14. Para la aplicación de los incrementos de carga debe seguirse el criterio siguiente, una vez aplicado el primer incremento, medir los desplazamientos a cada minuto, durante 3 minutos; si los desplazamientos registrados son nulos o menores de 0.01 mm se procede a aplicar el siguiente incremento, en caso contrario, se deja transcurrir otros 3 minutos para tomar nuevamente lecturas y valuar los desplazamientos respectivos, lo anterior debe realizarse sucesivamente las veces que sea necesario, hasta cumplir con la condición indicada.

Foto 1.14 Registro de deformaciones (cortesía de CFE).

Se debe continuar con la aplicación de los demás incrementos, hasta llegar a la carga de diseño. Finalmente, se realiza la descarga de fuerzas aplicadas gradualmente hasta llegar a la carga mínima. En esta etapa deben registrar las lecturas correspondientes. Se deben repetir todas las etapas descritas anteriormente hasta llegar a tres ciclos de carga-descarga. Para la determinación de los desplazamientos del ancla se aplica la expresión siguiente:

AE

PL=δ 1.4

Donde:

=δ Desplazamiento del ancla, m


35

=P Carga, N =L Longitud del ancla entre las mordazas del gato y la superficie del mortero, más 1/3 de la

longitud embebida en el mortero, m

=A Área de la sección transversal del ancla, m2

=E Módulo de elasticidad del acero, Los resultados obtenidos se presentan en una gráfica carga-deformación. La prueba concluye por alguno de los siguientes motivos:

� Ruptura del ancla. � Extracción del ancla, antes de alcanzar la carga prevista. � Cuando los desplazamientos excedan a los valores permisibles, 40 mm. � Cuando se alcanza la carga máxima prevista por la prueba.

Tolerancias: Para la instalación de anclas se debe respetar las tolerancias siguientes:

� Localización: ±20 cm perimetrales para la ubicación proyectada. � Verticalidad: ±5°

1.2.2 Geometría de la cimentación.

En la figura 1.15 se observa de manera general la geometría de una cimentación superficial a base de zapatas aisladas con la respectiva nomenclatura de sus dimensiones.

Figura 1.15 Geometría de una zapata aislada anclada en roca (propia).

Donde:

=a Ancho de la zapata, m.

=b Largo de la zapata, m.

=ld Longitud del dado, m.

=h Peralte total de la zapata, m.

a

b

dfld

h

d

af, bf


36

=d Ancho del dado, m.

=df Profundidad de desplante, m.

=bfaf , Distancia entre anclas extremas en el ancho y largo de la zapata respectivamente, m.

Como se puede observar en la figura 1.16, el dado de la zapata presenta un ángulo de inclinación α ,

dicho ángulo coincide al de la extensión del montante de la torre; esta condición provoca que los

elementos mecánicos se apliquen con una excentricidad cd , respecto al centro geométrico de la

zapata.

Figura 1.16 Distancia cd , a la aplicación de la carga (propia).

La distancia cd a la aplicación de la carga es igual a:

αtan)( ⋅+= hldd c 1.5

El valor de αtan se determina conforme a la geometría del cuerpo piramidal, figura 1.17, y es:

( )AP

ACAB 22 225.0tan

−=α 1.6

Por lo que:

( ) ( )

−+=AP

ACABhldd c

22 225.0 1.7

ld

h

dc

α


37

Donde:

=AB Ancho de la base, m

=AC Ancho de la cintura, m

=AP Altura, m

Figura 1.17 Geometría de una Torre Vertical (propia).


38

1.2.3 Fuerzas actuantes en el dado de cimentación. Los elementos mecánicos actuantes (reacciones en los apoyos) se obtienen del análisis estructural y se observa en la figura 1.18.

Figura 1.18 Elementos Mecánicos actuantes en la

zapata (propia).

En cada uno de los apoyos (A, B, C o D), según sea el caso.

� Para la tensión.

=T Carga a tensión. =

TVx Cortante en la dirección x , ocasionado por

la tensión. =

TVy Cortante en la dirección y , ocasionado por

la tensión.

� Para compresión.

=C Carga a compresión. =

CVx Cortante en la dirección x , ocasionado por

la compresión. =

CVy Cortante en la dirección y , ocasionado por

la compresión.

Por otra parte, si consideramos que el eje transversal de la torre se encuentra orientado en la misma dirección que el eje transversal de la línea de transmisión las fuerzas cortantes resultantes estarán orientadas en las direcciones yx , de este sistema (figura 1.19a); para facilitar el diseño geotécnico y

estructural de la zapata, esta se encuentra girada 45° con respecto a su centro geométrico lo que

ocasiona que las fuerzas actuantes se proyectan en el sistema ',' yx .


39

Para ejemplificar la forma en que se obtienen los componentes vectoriales de las fuerzas actuantes,

suponemos el sentido de dichas fuerzas en el sistema yx , , posteriormente, al proyectar Vx y Vy en

los ejes ',' yx , obtenemos 'Vx y 'Vy .

Figura 1.19 Fuerzas cortantes en los ejes ',' yx (propia).

De la figura 1.19b observamos lo siguiente:

°+°= 45sin45cos' VyVxVx 1.8

°−°= 45sin45cos' VxVyVy 1.9

Donde:

=Vx Fuerza cortante en la dirección x . =Vy Fuerza cortante en la dirección y .

Particularizando las ecuaciones anteriores para la tensión y compresión de acuerdo al análisis estructural se tiene que:

� Para la tensión

=T Carga a tensión. =TVx ' Cortante en la dirección 'x , ocasionado por la tensión.

=TVy ' Cortante en la dirección 'y , ocasionado por la tensión.

Eje transversal de lalinea de tranmision

Eje

long

itudi

nal d

e la

linea

de

tran

smis

ion

Centro dela Torre

Sentido de la lineade transmision

Zapata B

V

V

V

V

V

V

V

V

Zapata A

Zapata DZapata C

X

y

y' x'

Vx

Vy

Vy'

Vx'45°

Zapata B

a b

y

x


40

� Para compresión

=C Carga a compresión. =CVx ' Cortante en la dirección 'x , ocasionado por la compresión.

=CVy ' Cortante en la dirección 'y , ocasionado por la compresión.

1.3 Diseño geotécnico de la cimentación, especifica ción: CFE JA100-64. De acuerdo a la especificación CFE JA-100-64 las cimentaciones deben diseñarse satisfaciendo los siguientes requisitos:

• Capacidad de carga vertical

• Volteo

• Arrancamiento

• Deslizamiento

1.3.1 Capacidad de carga.

En el cálculo de la capacidad de carga en rocas se consideran las condiciones estructurales del afloramiento (presencia y espaciamiento de juntas) al igual que la resistencia a la compresión simple de los núcleos obtenidos en los trabajos de exploración. Para el cálculo de la capacidad de carga de la cimentación se debe cumplir con la siguiente expresión (CFE JA-100-64):

RqA

QFc≤∑ 1.10

Donde:

=∑Q Sumatoria de las acciones verticales, kN

=Fc Factor de carga igual a 1.1 de acuerdo a la especificación anteriormente señalada.

=A Área efectiva de la cimentación, reducida por los efectos de excentricidades, kN =Rq Capacidad de carga resistente de la roca obtenida del estudio geotécnico multiplicada por un

factor de reducción R

F , kN/m2

El valor de

RF está en función de la certidumbre de los parámetros de diseño:

0.70 cuando los parámetros de diseño son obtenidos mediante pruebas triaxiales. 0.50 cuando la resistencia del material se obtenga mediante correlaciones con pruebas de campo y

se hallan verificado con pruebas de laboratorio. 0.35 cuando la resistencia se obtenga únicamente mediante correlaciones con pruebas de campo. Para obtener la capacidad de carga resistente se considera el estado de la roca in situ debido a que la calidad de la roca en el afloramiento determina la resistencia a la compresión simple.


41

Para la revisión que se realiza en esta tesis se considera la existencia de roca sana, sin embargo es posible encontrar roca fisurada con presencia de juntas verticales u horizontales o casi horizontales (figura 1.20a y 1.20b) en las que se debe realizar sondeos de exploración para verificar su presencia. Cuando la roca presenta numerosas discontinuidades orientadas en diversos planos se denomina roca muy fisurada y alterada y debe considerarse como una masa granular.

a) Roca con juntas verticalesb) Roca con juntas horizontales

Figura 1.20 Rocas con juntas (propia).

Las consideraciones que se toman para establecer el valor de capacidad de carga resistente de la roca de acuerdo al Manual de Diseño de Obras Civiles, B.3.3; son las siguientes:

• Roca sana: cuando en campo se encuentra este tipo de roca se recomienda utilizar como capacidad de carga resistente un valor no mayor al 40% de la resistencia a la compresión simple multiplicado por el factor de reducción.

• Roca fisurada: para este caso se estima la capacidad de carga resistente con la siguiente formula

RcR FKRq = 1.11

Donde:

=Rq Capacidad de carga resistente de la roca, kN/m2

=K Coeficiente adimensional. =CR Resistencia a compresión no confinada obtenida en pruebas de compresión simple, kN/m2

El valor de K es una función del espaciamiento de las discontinuidades y se obtienen a partir de la siguiente expresión:

c

acK

δ300110

3

+

+= 1.12

Donde:

=c Espaciamiento de las discontinuidades, m =a Ancho de la cimentación, m

=δ Espesor de las discontinuidades, m


42

Valores de K se han obtenido a partir de la relación c/δ y ac / y se presentan en la grafica 1.1.

• Roca con juntas horizontales: para este caso se recomienda usar para la capacidad de carga resistente la tercera a la quinta parte de la resistencia a la compresión simple obtenida mediante pruebas de laboratorio.

Grafica 1.1 Valores K vs ac (Manual de Diseño de Obras Civiles, B.3.3)

Para el cálculo del cociente AQ∑ se considera que la cimentación debe resistir no solamente

cargas verticales sino también momento de volteo. Cuando los momentos y fuerzas cortantes actúan simultáneamente con relación a ambos ejes, el cálculo de la presión máxima implica la solución de un par de ecuaciones simultáneas no lineales que complican el cálculo, por lo que se recomienda el uso de métodos simplificados para su determinación. Para el cálculo de las los esfuerzos bajo la cimentación, suponemos que la base de la zapata es infinitamente rígida y que la roca en la que se desplanta es linealmente elástica, por lo que la distribución de esfuerzos sea lineal. Los esfuerzos máximos y mínimos de acuerdo a estas consideraciones resultan:

Ix

yMx

Iy

xMy

A

P

A

Q )()( ±±=∑ 1.13

Donde:

=P Carga de compresión, kN

=A Área de la cimentación, m2

=Mx Momento de volteo con respecto al eje y , kN·m

=My Momento de volteo con respecto al eje x , kN·m


43

=Iy Momento de inercia en el eje y , m4

=Ix Momento de inercia en el eje x , m4

=x Distancia media del ancho de la zapata, m =y Distancia media de largo de la zapata, m

Para facilitar el cálculo se considera que la zapata es cuadrada lo que ocasiona las siguientes modificaciones en la ecuación:

22 babaA ==⋅= 12

4bIyIx ==

2

bxy ==

Al sustituir las ecuaciones anteriores en la ecuación 1.9 se tiene que:

332442

66

12

2

12

2b

Mx

b

My

b

P

b

bMx

b

bMy

b

P

A

Q±±=±±=∑

Finalmente se incluye en la expresión anterior el factor de carga y se obtiene la siguiente expresión:

Fcb

Mx

b

My

b

C

A

FcQ

±±=∑332

66 1.14

Al evaluar la ecuación 1.14 se determinan los esfuerzos máximos y mínimos respectivamente, cuando se obtienen valores negativos esto implica la existencia de esfuerzos de tensión que afecta la estabilidad de la cimentación, esta condición es evaluada en la sección 1.3.2.

Los valores de Mx y My tomados al centro de la de la base de la zapata x0 , y0

respectivamente, se obtienen de las siguientes ecuaciones, figura 1.21:

)(' ldhcVxdcCMy ++= 1.15

)(´ ldhcVyMx +=

1.16

Figura 1.21 Momentos actuantes en la zapata (propia).

c

Oy

Ox

c


44

1.3.2 Revisión a flexo-tensión. Para esta revisión debe cumplirse que la tensión máxima actuante ( maxT ) en un ancla debe ser menor o igual a la tensión admisible en el ancla (Ta ), es decir, debe cumplir con la siguiente expresión:

TaT ≤max 1.17 El valor de maxT se obtiene de la siguiente ecuación:

AssN

TeT ⋅+= σmax 1.18

Los valores que se involucran en la ecuación 1.18 se obtienen a partir de las siguientes consideraciones.

WrWcTTe −−=

22 MyMxMr +=

Donde:

=Te Tensión efectiva aplicada en la base de la zapata, kN =N Número de anclas =sσ Esfuerzo de tensión en un ancla, kPa

=As Área total de un ancla, m2

=T Fuerza de tensión actuante en la cimentación, kN =Wc Peso de la cimentación, kN =Wr Peso del relleno arriba de la cimentación, kN

=Ia Momento de inercia de todas las anclas en la sección, m4

=af Distancia entre anclas extremas, m =Mr Momento resultante, kN·m =Mx Momento alrededor del eje x , kN·m =My Momento alrededor del eje y , kN·m

El cálculo del peso del relleno que se encuentra arriba de la cimentación (Wr ) se obtiene mediante el método del cono de tierra; este es un método totalmente empírico el cual asume que la superficie de falla es una pirámide o cono truncado, figura 1.22. El cono o pirámide se extiende de manera ascendente desde el borde inferior de la zapata hacia la superficie del terreno formando un ángulo β .

Valores de β se presentan en la tabla 1.6.

afIa

Mrs =σ


45

Figura 1.22 Método del cono de tierra (propia).

Condiciones de colado Tipo de suelo β (grados)

Con cimbra

Aluvial y arcilla blanda 0 Arcilla medianamente compacta a dura 15

Arena 10 Grava 15

Contacto con las paredes de la excavación

Aluvial y arcilla blanda 0 Arcilla medianamente compacta a dura 20

Arena 15 Grava 20

Tabla 1.6 Valores de β (Especificación CFE JA100-64 , 2005)

Para la porción del cono de falla debajo del nivel freático, en caso de presentarse, los pesos sumergidos de la cimentación y del relleno deben ser usados para determinar la tensión efectiva.

a

dfTan ββββ dfTan ββββ

dfTan ββββ

dfTan ββββ

b

Figura 1.23 Determinación del volumen de cono para el relleno (propia).

ββββ

dfTan ββββ dfTan ββββ

df

a

T

ββββ

df

a


46

321VVVV cre ++= dfbaV ⋅⋅=

1

( )

dfdfTan

V3

2

2

βπ=

( ) ( )

⋅+

⋅= dfdfTanb

dfdfTana

V2

22

23

ββ

( ) ( ) ( ) ( )

⋅+

⋅+

+⋅⋅= df

dfTanbdf

dfTanadf

dfTandfbaVcre

22

22

3

2 βββπ

( ) ( ) ( )baTandfdfdfTan

dfbaVcre ++

+⋅⋅= ββπ 2

2

3 1.19

Figura 1.23 Determinación del volumen de cono para el relleno (continuación).

El peso del cono se obtiene multiplicando su volumen por el peso específico del material de relleno:

rcreVWr γ⋅= ⋅ 1.20

Donde:

=Wr Peso del relleno arriba de la cimentación, kN =creV Volumen del relleno arriba de la cimentación, kN

=rγ Peso específico del relleno, kN/m3

Por otra parte, los valores de Mx y My se obtienen de acuerdo a la revisión a compresión.


47

El momento de inercia ( Ia ) está en función del número de anclas que se utilizan, arbitrariamente asumimos que el número mínimo de anclas es de 4 (una en cada esquina de la base de la zapata), sin embargo, también existen arreglos para un número mayor de anclas (Figura 1.24).

Figura 1.24 Arreglos de anclaje para 4, 8 y 12 anclas, respectivamente (propia).

Cada una de las anclas tiene una unidad de área (b

a ) y suponemos que el momento de inercia de

cada ancla es aproximadamente su centroide, de tal manera que el momento de inercia del grupo de pernos puede ser encontrada por:

∑= 2faIab

1.21

Donde:

=b

a Área de cada ancla, m2

=f Distancia de cada ancla al centroide, m El momento de inercia se calcula de forma particular de acuerdo al número de anclas que se tienen en la base de la zapata considerando en todos los casos un área unitaria, ejemplo de lo anterior se muestra a continuación.

2

2

24

f

f aa

Ia =

=

a. cuatro anclas

222

9

19

64

28 f

ffIa =

+

⋅=

b. Arreglo de doce anclas Figura 1.25 Momento de inercia de diferentes arreglos de anclaje (propia).

a

a /2 a /2

b

f

f f

f b

a /2

a /3a /6

a /2f f

f f

f


48

El cálculo del número de anclas así como el área de acero necesaria para establecer las condiciones de equilibrio se realiza por medio de aproximaciones ensayando diversos arreglos con su correspondiente momento de inercia. 1.3.3 Arrancamiento. El principal problema en el análisis y diseño de las cimentaciones para las torres de transmisión se debe a la presión que el viento ejerce en los cables y que es transmitida a la estructura propiamente, estas acciones provocan que la cimentación sea sometida a fuerzas de tensión considerablemente grandes que provocan a su vez el arrancamiento. Para esta condición y de acuerdo a la especificación CFE JA100-64 , debe cumplirse que:

PFcT < 1.22 Donde:

=T Fuerza de tensión vertical máxima transmitida por la estructura, kN

=Fc Factor de carga igual a 1.5. =P Suma de fuerzas verticales resistentes al arrancamiento de la cimentación, kN

La sumatoria de las fuerzas verticales que resisten el arrancamiento es igual al peso de la cimentación más el peso del relleno sobre ella y la resistencia proporcionada por el anclaje:

conoWP ++= WrWc90.0 1.23

Donde Wc es el peso de la cimentación, kN

=Wr Peso del relleno por arriba de la cimentación, kN =conoW Resistencia proporcionada por el anclaje, kN

El método más usual para estimar la resistencia al arrancamiento de un anclaje es suponerlo igual al peso del cono de roca que se formará para arrancar las anclas, figura 1.26. Este cálculo que parte de la hipótesis de que el volumen del material es precisamente un cono, es muy conservador, debido a que solamente se considera el peso de la roca, despreciando la resistencia a la tensión y al corte que es capaz de desarrollar la roca misma. Para el empleo de este método, es por tanto importante conocer cuál es el volumen y la forma de la roca extraída. Se considera que el arrancamiento en el macizo rocoso puede presentar dos tipos de superficie de falla: curva y cónica. Los modelos que definen superficies de falla curva son, en general, fruto de la observación de ensayos reales o a escala reducida, o de programas de cálculo (números finitos). Serrano y Olalla (1999) desarrollaron un modelo teórico determinando la forma de la superficie de falla de la roca para diversas esbelteces y distintos grados de fracturación de la roca. Matemáticamente obtuvieron dos formas de falla, una para anclajes cortos y otra para anclajes largos. En anclajes cortos la superficie de falla es una curva que se va abriendo hasta llegar a la superficie. Los anclajes largos


49

son semejantes pero, a partir de cierta zona la superficie de falla es un cilindro coaxial con el anclaje y luego pasa a abrirse de manera semejante a los anclajes cortos, figura 1.27.

TRelleno

Roca

θ=30°θ=30°θ=30°θ=30°

af

la

Figura 1.26 Cono de arrancamiento (propia).

Dentro de las superficies de falla de forma cónica se distinguen diversos tipos en función del semiángulo que forma el cono y de la posición del vértice de éste, así por ejemplo el vértice del cono ha sido colocado en la base, al centro y en la parte superior de la longitud de anclaje, figura 1.27. En cuanto al semiángulo que forma el cono, la mayoría de los autores suponen un ángulo que varía entre 30° y 45°. Así por ejemplo, el ángulo empleado en l as recomendaciones del US Army Corps of Enginners, 1994, es de 45°, mientras que Willie (19 92) indica que la superficies de falla es un cono cuyo semiángulo en el vértice varía de 30° a 60°, e mpleando 30° para rocas blandas y alteradas, y 60° en roca muy sana.

Figura 1.27 a) Anclajes largos b) Anclajes cortos (Serrano y Ollalla, 1999)

Si bien, se puede afirmar que la forma de la superficie de falla es en general una superficie curva, como queda documentado por modelizaciones y ensayos realizados, en el presente trabajo se considera una superficie de falla de forma cónica con un semiángulo de 30° y vértice en la base del anclaje, como simplificación, ya que no afecta considerablemente al método de cálculo del esfuerzo de arrancamiento (ya de por si aproximado).

TuD

L

TuD

L


50

Figura 1.28 Superficies potenciales de falla asumidas para el diseño de la longitud de anclaje en macizos rocosos: (a) falla potencial iniciada en la base de la longitud anclaje, (b) falla potencial iniciada en el centro de la longitud de anclaje y (c) falla potencial iniciada en la parte superior de la longitud de anclaje (base de la longitud libre de anclaje). (Department of the Army U.S. Army Corps of Engineers, 1999)

De acuerdo a lo anterior, el peso del cono de tierra que va de la profundidad del anclaje a la base de la zapata se calcula de la siguiente forma, figura 1.29.

af

bf

laTan θθθθ laTan θθθθ

laTan θθθθ

laTan θθθθ

Figura 1.29 Determinación del volumen del cono de roca (propia).


51

θθθθ

laTan θθθθ laTan θθθθ

la

af

321VVVV cro ++= labfafV ⋅⋅=

1

( )

lalaTan

V3

2

2

θπ= ( ) ( )

⋅+

⋅= lalaTanbf

lalaTanaf

V2

22

23

θθ

( ) ( ) ( ) ( )

θ⋅+

θ⋅+

θπ+⋅⋅= la2

laTanbf2la

2

laTanaf2la

3

laTanlabfafV

2

cro

( ) ( ) ( )bfafTanlalalaTan

labfafVcro ++

+⋅⋅= θθπ 2

2

3 1.24

Figura 1.29 Determinación del volumen del cono de roca (continuación).

El peso del cono se obtiene multiplicando el volumen de dicho cono por el peso específico de la roca:

rocrocono VW γ= 1.25


52

Donde:

=conoW Resistencia proporcionada por el cono de anclaje, kN

=croV Volumen del cono de arrancamiento, m3

=roγ Peso específico de la roca, kN/m3

La resistencia proporcionada por el anclaje al igual que el peso del relleno arriba de la cimentación, calculado previamente en la revisión a flexotensión, se obtiene como ya se mencionó, a partir del método del cono de tierra. Este método no considera la fricción que se genera a lo largo de la superficie de falla y no considera la influencia de la profundidad de desplante, se ha observado de esta manera que en cimentaciones poco profundas el método puede ser utilizado para estimar la resistencia por arrancamiento, sin embargo, en profundidades mayores esta capacidad aumenta considerablemente con la profundidad de desplante, por lo que se recomienda que no se exceda la siguiente relación:

2.4ncimentaciola de ancho

desplante de dprofundida <

La longitud de anclaje se calcula mediante la ecuación 141 de IEEE Guide for Transmisión Structure Foundation Design and Testing.

rssu SLBT π= 1.26

Donde:

=uT Resistencia del ancla a tensión, kN

=sB Diámetro del barreno, m

=sL Longitud del anclaje, m

=rS Resistencia promedio de adherencia mortero-roca, psi

El valor de rS se evalúa de acuerdo a las siguientes ecuaciones.

� Diámetro del barreno > 40.60 cm.

wfS r '3)a 2(= 1.27

� Diámetro del barreno < 40.60 cm.

wfS r '4)a 3(= 1.28

Donde:

=wf ' El menor valor de la resistencia a la comprensión simple de la roca o del mortero, psi

Valores típicos de rS se presentan en la siguiente tabla.


53

Tipo de roca Resistencia a la compresión

simple, Mpa Resistencia a la adherencia ( rS ),

MPa

Esquisto 0.35 a 110 0.12 a más de 3 Arenisca 7 a más de 24 0.52 a 6.5

Limos y Pizarras 1 a más de 7 0.12 a más de 2.8 Ígneas 0.35 a más de 10.5 0.12 a 6.3

Metamórficas 0.47 a más de 2.3

Tabla 1.7 Valores típicos de resistencia a la adherencia (IEEE Guide for Transmission Structure Foundation Design and Testing).

Despejando sL de la ecuación 1.26 se obtiene la longitud mínima de anclaje

rs

us SB

TL

π= 1.29

La resistencia del ancla a tensión se determina mediante la prueba de extracción de anclas (CFE C0000-42) y teóricamente no debe exceder al valor la falla por fluencia, es decir:

fyAsF 90.0< 1.30

Donde:

=fy Resistencia a la fluencia del acero, MPa

=As Área de la sección transversal del acero, m2

La profundidad mínima de anclaje corresponde al menor valor entre las ecuaciones 1.3 y 1.29. 1.3.4 Deslizamiento Horizontal Esta condición es ocasionada por la resultante de las fuerzas cortantes en las direcciones ortogonales

',' yx que actuantes en el lecho inferior de la zapata (figura 1.39).

Debe cumplirse con la siguiente expresión (CFE JA100-64):

RRD FDF < 1.31

Donde:

=DF Resultante de las fuerzas horizontales actuantes, kN

=RD Suma de fuerzas resistentes que se oponen al deslizamiento, kN

=RF Factor de reducción igual a 1.1


54

Para determinar la fuerza máxima de deslizamiento transmitida a la cimentación se realiza la sumatoria de las fuerzas cortantes, figura 1.30, considerando las condiciones de tensión y compresión. El valor máximo obtenido se utiliza en la revisión por deslizamiento. La resultante de las fuerzas cortantes a compresión y tensión se obtienen a partir de las siguientes expresiones:

22 '' CCC VyVxV += 1.32

22 '' TTT VyVxV += 1.33

Figura 1.30 Fuerza de deslizamiento máxima (propia).

Finalmente, la fuerza que se opone al desplazamiento horizontal está dada por el contacto que existe entre el concreto y la roca:

rZRRR SAFFD = 1.34

Donde:

=ZA Área de contacto de la zapata, m2

=rS Resistencia a la adherencia de la roca (Tabla 1.7), MPa

y'

x'

Vy'

Vx'

V


55

2. PROYECTO “LÍNEA DE TRANSMISIÓN QUEVEDO-MENONITA. 2.1 ESTUDIO GEOTÉCNICO A continuación se presenta el estudio geotécnico para el proyecto L.T. QUEVEDO-MENONITA, ubicado en el municipio de Namiquipa, Chihuahua. Con este estudio se pretende conocer las principales características físicas y mecánicas del suelo ahí existente, así como la identificación del estrato más apto para fines de cimentación, la profundidad del mismo y su capacidad de carga, información necesaria para el cálculo de la cimentación a emplear en las estructuras del proyecto ya mencionado. El proyecto presenta las siguientes características técnicas:

Tensión nominal (kv) 115 Número de circuitos 1 Longitud (km) 41.53 Ancho de derecho de vía (m) 20 Tipo de cable conductor 477 ACRS Tipo de cable de guarda De acero galvanizado

Aislador De suspensión y tensión de vidrio; forjado de 36,000 libras

Estructuras de soporte (tipo) De acero autosoportadas Numero de estructuras 105 Cimentación Concreto

Sistemas de tierras Alambre Cooperweld, N° 2 AWG y varilla Cooperweld de 5/8”

Protección catódica No aplica 2.1.1 Ubicación geográfica de la Línea de Transmisi ón. La trayectoria de la línea de Transmisión que forma parte de este proyecto se encuentra ubicada en el municipio de Namiquipa (figura 2.1). Este municipio se localiza en la zona central del estado de Chihuahua, a una Latitud de 29°15’, Longitud 107°25 ’, y a una altitud de 1829 mts sobre el nivel del mar. Su extensión territorial es de 4,212.58 kilómetros cuadrados, su clima es semi-húmedo, templado y su temperatura máxima es de 37.7ºC, con una temperatura mínima de -14ºC y una temperatura media anual de 14ºC, su precipitación pluvial anual es de 439.3 mm con un promedio anual de 66 días de lluvia y una humedad relativa del 60%, y su viento dominante es de Sur-oeste.


56

Figura 2.1 Ubicación geográfica del municipio de Namiquipa (Adaptado de INEGI. Marco Geoestadístico, 2000). Sus límites geográficos son: al norte con el municipio de Buenaventura, al este con el municipio de Chihuahua, al sur con el municipio de Riva Palacio, el municipio de Cuauhtémoc y el municipio de Bachíniva, al suroeste con el municipio de Guerrero y con el municipio de Matachí, al oeste con el municipio de Temósachi y el municipio de Gómez Farías y al noroeste con el municipio de Ignacio Zaragoza. La línea de Transmisión inicia en la subestación Quevedo ubicada en las coordenadas UTM. X=264,321.41 y Y=3’214,462.71 en la carretera Colonia Soto Maynez – El Terrero km 1+900 desviación camino de terracería a Guadalupe Victoria km 1+700; y termina en la subestación


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Menonita con coordenadas UTM. X=301,032.86 y Y=3’228,160.04 en el campo 51 Ejido el Pino, figura 2.2.

Figura 2.2 Ubicación geográfica de la LT. Quevedo-Menonita. (INEGI. Carta topográfica Buenaventura H13-7, 2007). Las Coordenadas del trazo se presentan en la tabla 2.1:

Puntos de inflexión Coordenadas UTM Longitud

parcial (m) Longitud Total

(m) x y Subestación

Quevedo 264321.41 3214462.71 0.00 0.00

1 264216.80 3214454.64 104.92 104.92 2 264046.32 3214483.26 172.86 277.78 3 264180.00 3214850.00 390.34 668.12 4 280238.44 3222165.62 17,646.29 18,314.41 5 297246.35 3223453.31 17,056.58 35,370.99 6 301023.75 3227636.69 5,636.43 41,007.42 7 301032.86 3228160.00 523.39 41,530.81

Subestación Menonita

301032.86 3228160.04 0.00 41,530.81

Tabla 2.1 Coordenadas del trazo de la L.T. Quevedo – Menonita (propia).

El relieve es principalmente montañoso, por estar ubicados en la Sierra Madre Occidental. Aunque la altitud promedio es de 2600 m, entre los pliegues y hondonadas de la sierra, existen algunas mesetas serranas, figura 2.3.


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Figura 2.3 Fisiografía predominante en el sitio de estudio, http://maps.google.com.

Las características topográficas de la línea de transmisión son las siguientes:

• De la subestación Quevedo pasando por el P.I.1, P.I.2 y hasta al P.I.3 se presenta una configuración de llanuras.

• Del P.I.3 al P.I.4 se encuentra sobre el cerro El Zorrillo a una altura de 2,200 msnm.

• Del P.I.4 al P.I.5 la línea pasa por la sierra El Rosal a una altura de 2,200 msnm, por la mesa Cano a una altura de 2,400 msnm y posteriormente se presenta una configuración de llanura.

• Del P.I.5 y hasta la subestación Menonita se presenta una configuración de llanura. 2.1.2 Geología Regional. El municipio de Namiquipa pertenece al distrito minero del mismo nombre y se ubica en la región minera de Cuauhtémoc, localizada entre las porciones occidental y central del Estado de Chihuahua, geológicamente está constituida en su base por rocas calcáreas cubiertas por rocas volcánicas, así como depósitos de talud, derrames basálticos y suelos residuales, intrusionados por cuerpos plutónicos de variada composición. En el distrito se encuentran presentes rocas volcánicas, principalmente tobas y riolitas, dado que los afloramientos se encuentran muy aislados es difícil establecer una secuencia de depósito entre ellas; parece ser que las tobas son las más antiguas seguidas de las riolitas. Las unidades geológicas representativas de la zona de estudio que se observan en la carta geológica, figura 2.4 y 2.5, emitida por el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), son las siguientes:


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• Conglomerado, T (cg). Unidad que comprende estratos gruesos y masivos de sedimentos continentales de espesor variable. Están constituidos principalmente por clastos cuyos tamaños son de arenas, gravas cantos rodados y bloques, incluidas en una matriz areno-arcillosa medianamente cementada por carbonato de calcio y hematita. La mayoría de los clastos están angulosos a bien redondeados y son derivados de rocas ígneas, riolitas, tobas riolíticas y basaltos y también de calizas micriticas. Dentro de la unidad se pueden apreciar lente arenoso mal seleccionado y delgados horizontes de literanitas, así como estructuras laminares de carbonatos. Esta secuencia se encuentra ampliamente distribuida sobre todas las áreas al oeste del Sueco, sur de la Sierra del Gallego, al norte del Rancho Juan Largo, al sur de Zaragoza, en el rancho La Tranquila, al norte de San José Ermita, al oeste del Rancho Las Murallas, en la Mina La Ventura, en el poblado del Terreno y sur de la presa El Tintero. Su expresión morfológica es de lomeríos de topografía suave, con estructuras típicas de erosión diferencial y grandes abanicos disectados, que cubren en forma discordante las márgenes de las Sierras e invaden los bolsones.

• Riolita - Toba ácida, T (R-Ta): unidad representada por rocas volcánicas extrusivas de composición acida, constituida por una alteración de tobas y derrames riolíticos. Las tobas son tipo riolítico, ignimbritas, tobas vítreas y líticas: las dos primeras las más frecuentes, petrográficamente se caracterizan por su textura merocristalina, porfídica, con matriz hialopelítica, presentan grados de desvitrificación y se encuentran parcialmente hematizadas. La estructura y aspecto de las rocas de esta unidad son heterogéneos y variados, destacan la estructura brechoide, fluidal, cierta pseudoestratificación, amígdalas rellenes de calcedonia, vetillas de cuarzo o concentraciones de manganeso en fracturas, planos de falla y juntas. En esta unidad también se encuentran yacimientos importantes de uranio. El color de las rocas es generalmente rosa claro y oscuro que cambia a pardo oscuro por intemperismo. Se encuentran medianamente fracturadas. Las riolitas que se encuentran alternando con los cuerpos de tobas anteriormente descritas, se caracterizan petrográficamente por su estructura holocristalina porfídica con alto grado de hematización. En campo se observa compacta con estructura fluidal o formando bloques producto de fracturamiento, es de color rosa obscuro y al intemperismo pardo oscuro. Esta unidad es la que se encuentra más ampliamente distribuida en la carta, son depósitos que cubren en forma discordante a la secuencia marina cretácica y a parte de las unidades terciarias. Los afloramientos donde está mejor representada son los localizadas al norte del poblado La Constitución, Sierra Los Arados, suroeste del Poblado Independencia, sur del Rancho Los Nogales, en la mina ubicada al sur del Rancho Los Colorados, noroeste de Gómez Farías, Minas Los Terrancites, Nopal y Margaritas; sierra Peña Blanca y en los cortes de la carretera que va de Buenaventura-Zaragoza.


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• Aluvial, Q (al). Son los depósitos recientes de mayor distribución en la carta. Se encuentran constituidos por acumulaciones terrígenas con mezclas de arcillas, arenas o gravas, que sobreyacen en forma irregular al resto de las unidades de le dieron origen. Sus variados componentes presentan comúnmente un alto grado de redondez y buena selección. Son depósitos no cementados, poco cohesivos y de colores que van del pardo amarillento al rojizo. En algunos lugares se logra apreciar una alternancia de capas laminares de arcillas y arenas finas de color rojo con capas de conglomerados con matriz arcillo-arenosa. Morfológicamente forma parte de la mayoría de las planicies que aparecen en el área. Los depósitos más característicos son los localizados en el poblado Abnegado H. García, al norte del Rancho Los Nogales, al sur de Nuevo Delicias y sur de Santa Clara.

• Toba acida, T (Ta). Unidad constituida por tobas silícicas, principalmente ignimbritas bandeados de color gris rosáceo. También se observan tobas riolíticas cristalinas, líticas y vítreas. Petrográficamente se caracteriza por una textura merocristalina porfídica y matriz hialopilítica, muy parecida a las tobas incluidas dentro de la unidad terciaria de riolitas y tobas acidas. Presentan con frecuencia pseudoestratificación. Esta unidad se encuentra escasamente distribuida en la carta geológica en forma de pequeños afloramientos que constituyen elevaciones medianas sensiblemente alargadas en una dirección casi norte-sur.

Figura 2.4 Nomenclatura geológica (Adaptado de la Carta geológica Buenaventura H 13-7, SPP Coordinación General de los Servicios Nacionales de Estadística, Geografía e Informática, 1983).

Diseño Geotécnico de la cimentación a base de zapatas aisladas ancladas en roca para el proyecto L. T. Quevedo - Menonita

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Figura 2.5 Geología existente a lo largo de la línea de Transmisión Quevedo – Menonita (Carta geológica Buenaventura H 13-7, SPP Coordinación General de los Servicios Nacionales de Estadística, Geografía e Informática, 1983).


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2.1.3 Pruebas de campo y laboratorio. Los trabajos de campo que se realizaron a lo largo de la línea de transmisión se resumen en la tabla 2.2, su ubicación se describe y observa en la tabla 2.3 y la figura 2.6 respectivamente.

Actividad Cantidad Características

Sondeo de Penetración Estándar (SPT)

1 Se realizó en la estación “Valle del Oso” y se llego a una

profundidad de 10.80 m.

Pozos a Cielo Abierto (PCA) 47

Los Pozos a Cielo Abierto se ejecutaron utilizando una retroexcavadora llegando a una profundidad promedio de 3.00 m y se obtuvieron muestras alteradas e inalteradas de las paredes

de la excavación. Prueba de extracción de

anclas 2

Las pruebas de extracción de anclas se realizaron en las estación E-09 y E.27

Tabla 2.2 Características generales de los sondeos de exploración realizados a lo largo de la línea de transmisión (propia).

Estación Sondeo Localización Estación Sondeo Locali zación

E-01 PCA-01 0+104.92 E-25 PCA-24 22+550.90

E-02 PCA-02 0+277.78 E-26 PCA-25 23+531.97

E-03 PCA-03 3+599.99 E-27 PCA-26 24+431.78

E-04 PCA-04 6+791.88 E-28 PCA-27 24+919.98

E-05 PCA-05 7+445.06 E-29 PCA-28 25+408.18

E-06 PCA-06 8+098.25 E-30 PCA-29 25+896.38

E-07 PCA-07 8+751.43 E-31 PCA-30 26+384.58

E-08 PCA-08 9+404.62 E-32 PCA-31 26+872.77

E-09 PCA-09 10+057.80 E-33 PCA-32 27+991.63

E-10 PCA-10 10+710.99 E-34 PCA-33 28+930.92

E-11 PCA-11 11+978.23 E-35 PCA-34 29+870.21

E-12 PCA-12 13+245.47 E-36 PCA-35 31+091.65

E-13 PCA-13 14+512.71 E-37 PCA-36 31+762.32

E-14 SPT-01 15+779.95 E-38 PCA-37 32+432.99

E-15 PCA-14 17+047.19 E-39 PCA-38 32+919.98

E-16 PCA-15 18+314.41 E-40 PCA-39 34+145.48

E-17 PCA-16 18+609.07 E-41 PCA-40 35+370.99

E-18 PCA-17 18+903.73 E-42 PCA-41 36+498.28

E-19 PCA-18 19+198.39 E-43 PCA-42 37+625.56

E-20 PCA-19 19+493.05 E-44 PCA-43 38+752.85

E-21 PCA-20 20+104.62 E-45 PCA-44 39+880.13

E-22 PCA-21 20+716.19 E-46 PCA-45 41+007.42

E-23 PCA-22 21+327.76 E-47 PCA-46 41+269.12

E-24 PCA-23 21+939.33 E-48 PCA-47 41+530.81

Tabla 2.3 Localización de PCA y SPT a lo largo de la línea de transmisión (propia).


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Figura 2.6 Ubicación de sondeos de exploración (Adaptado de la Carta geológica Buenaventura H 13-7, SPP Coordinación General de los Servicios Nacionales de Estadística, Geografía e Informática, 1983).


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2.1.3.1 Pruebas de campo en suelos. a. Pozos a cielo abierto (PCA). Los pozos a cielo abierto se realizaron con una retroexcavadora, foto 2.1, con dimensiones de 1.5m de ancho por 2.0m de largo y 3.50m de profundidad en promedio aproximadamente, conforme a la norma mexicana NMX-C-430-ONNCCE-2002, con el fin de tomar muestras para observar y levantar el perfil estratigráfico de sus paredes.

Foto 2.1 Elaboración de sondeos tipo Pozo a Cielo Abierto (PCA), con retroexcavadora (cortesía de CFE).

De estos pozos se tomaron muestras alteradas e inalteradas de los diferentes estratos que se encontraron. Las muestras alteradas son simplemente porciones de suelo que se protegen contra pérdidas de humedad introduciéndolas en frascos o bolsas. Las muestras inalteradas, por su parte, deben tomarse con precauciones, generalmente labrando la muestra en una oquedad que se practique al efecto en la pared del pozo. La muestra debe protegerse contra pérdidas de humedad envolviéndola con envoltura de plástico, ya que por medio de pruebas de laboratorio servirán para determinar las propiedades mecánicas e hidráulicas de los materiales.

� Muestras alteradas: El muestreo fue integral, o sea abarcando todo el espesor del material utilizable. En una de las paredes del pozo se abrió una ranura vertical de sección uniforme, de 20 cm de ancho por 15 cm de profundidad. El material excavado se recibió totalmente, por tratarse de un muestra integral, en un bote de lámina, este producto (de varias capas) se colocó en un solo envase para evitar pérdidas de humedad, con sus respectivas tarjetas de identificación.

� Muestras inalteradas: Debido a que este tipo de muestras deben conservar las condiciones de

un suelo en su estado natural, para su obtención, empaque y transporte se tomaron cuidados especiales a fin de no alterarlas:

- Se limpió una de las paredes de la excavación.

- Se trazó un en la pared un cuadrado de 30 cm de lado y se excavó cuidadosamente alrededor

del perímetro marcado, hasta una profundidad de 30 cm, labrando al mismo tiempo las cinco caras descubiertas.


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- Se recortó el terreno por el lado aún no descubierto, y se marco con la letra S la cara superior de la muestra a fin de darle al ensayarla una posición similar a la que tenía in situ.

- Una vez extraída la muestra fue cuidadosamente protegida con envoltura de plástico y se

instaló finalmente en un cajón relleno de aserrín. Se colocó una tarjeta de identificación en la muestra y la otra en el exterior del cajón.

Los perfiles obtenidos de los PCA se presentan a continuación:

NOMENCLATURA:

Figura 2.7 Perfiles estratigráfico a lo largo del trazo de la línea de transmisión (propia).


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NOMENCLATURA:

Figura 2.7 Perfiles estratigráfico a lo largo del trazo de la línea de transmisión (continuación).


67

NOMENCLATURA:

Figura 2.7 Perfiles estratigráfico a lo largo del trazo de la línea de transmisión (Continuación).


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b. Sondeo de Penetración Estándar (SPT).

Se realizó un Sondeo de Penetración Estándar (SPT-01) de acuerdo a la norma NMX-C-431-ONNCCE-2002, en la estación E-14 ubicada en el kilometro 15+779.95, con el fin de obtener una muestra representativa de suelo y una medida de su resistencia a la penetración del muestreador, así como, para obtener muestras del suelo para propósitos de identificación y pruebas de laboratorio. El equipo utilizado para el sondeo fue el siguiente:

� Una perforadora Longyear 34, capaz de proporcionar un orificio limpio antes de insertar el muestreador y asegurar que la prueba de penetración se lleve a cabo en suelo inalterado sin producir gran alteración a las muestras debido a la deformación por corte, para que sean aceptadas.

� Un barra “AW” de acero de un diámetro exterior de 0.0444 m un peso de 6.53 kg/m, para conectar el muestreador de tubo partido al dispositivo guía.

� Muestreador de tubo partido: El muestreador de tubo partido consiste de un tubo grueso, partido longitudinalmente, con una zapata de acero endurecido y una cabeza que lo une al extremo inferior de una columna de barras de perforación que le transmite la energía de hincado, la cabeza tiene una válvula esférica que se levanta y permite aliviar la presión del fluido y azolves que quedan en el interior del muestreador durante el hincado, y cae por propio peso durante la extracción del muestreador, para evitar que la presión del fluido de perforación expulse la muestra; una variante de esta válvula. El tubo generalmente está partido longitudinalmente para recuperar fácilmente la muestra; otra solución, poco recomendable, consiste en un tubo liso con funda de polietileno delgado. La zapata de acero endurecido es una pieza de consumo que debe sustituirse cuando pierde las dimensiones especificadas. Opcionalmente el penetrómetro estándar puede tener trampa en forma de canastilla para retener muestras de suelos arenosos.

� Dispositivo guía que incluye:

- Martillo yunque: el peso del martillo debe ser igual a 622.75 N± 9.81 N y ser una masa

sólida y rígida. El martillo debe ajustar con el yunque y hacer contacto acero con acero cuando el yunque sea golpeado. Debe utilizarse una guía para la caída libre del martillo. Los martillos utilizados con el método de la cabeza de gato y la cuerda deben tener una capacidad de sobre izaje de por lo menos 0.1 m (4 in). Por razones de seguridad, la utilización de un dispositivo de martillo con un yunque interno es recomendado, esto es, un martinete de pistón (de seguridad).

- Sistema de golpeo de martillo: deben ser utilizados sistemas de golpeo como cabeza de gato-cuerda, semiautomático, automático, permitiendo el izaje del aparato y caída libre.

- Equipo de inserción del muestreador: debe proveer una fuerza de penetración

continua y relativamente rápida.


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Para la preparación y acondicionamiento de las muestras, después de que el sondeo fue llevado a la profundidad deseada y el equipo de corte ha sido retirado, se preparo la prueba con la siguiente secuencia de operaciones:

� El muestreador de tubo partido se atornilló a las barras de perforación y se introdujo en el sondeo. Evitando que el muestreador golpee al suelo que va a ser muestreado.

� El martillo y el yunque se colocaron en las barras de perforación. Esto debe ser realizado

después que las barras de muestreo y muestreador son introducidas en el sondeo.

� El peso muerto del muestreador, barras, yunque y guía se descansaron sobre el fondo del sondeo y se aplicó un golpe de asiento. Cuando existe azolve excesivo en el fondo del sondeo, se retira el muestreador y las barras de muestreo para retirar el azolve.

� Las barras de perforación se marcaron en tres incrementos sucesivos de 0.15 m para que el

avance del muestreador bajo el impacto del martillo pueda ser observado fácilmente para cada incremento.

El muestreo con tubo partido incluye:

� Hincado: se hinca el muestreador con golpes de martillo de 622.7 N (63.5 kgf) y se cuenta el número de golpes aplicados en cada incremento de 0.15 m hasta que ocurra una de las siguientes condiciones:

- Un total de 50 golpes han sido aplicados durante uno de los cuatro incrementos de 0.15 m.

- Un total de 100 golpes han sido aplicados

- No se observa avance del muestreador durante la aplicación de 10 golpes sucesivos.

- El muestreador avanza 0.45 m sin que el límite de la cuenta de los golpes ocurriera como se describió anteriormente.

� Registro: se registra el número de golpes requerido por cada tramo de 0.15 m de penetración

o fracción. Los primeros 0.15 m se consideran como el asentamiento del dispositivo. La suma del número de golpes requerido para el segundo y tercer tramo de 0.15 m de penetración es denominada como la “Resistencia a la Penetración Estándar”, o el valor “N”. Si el muestreador es hincado menos de 0.45 m, el número de golpes por cada incremento completo y por cada incremento parcial debe ser anotado en el registro correspondiente. Para incrementos parciales la profundidad de penetración debe ser reportada redondeando a 0.01 m adicionalmente al número de golpes.


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Si el muestreador avanza por debajo del fondo del sondeo bajo el peso estático de las barras de perforación o el peso de las barras de perforación más el peso estático del martillo, esta información debe ser anotada en el registro correspondiente.

� Izaje y liberación del martillo: el izaje y la liberación del martillo de 622.75 N (63.5 kgf) se deben realizar utilizando cualquiera de los dos métodos siguientes:

- Mediante el uso de un sistema semiautomático el cual eleva el martillo y permite

su caída a una altura de 0.67 m ± 0.01m.

- Para cada golpe del martillo el operador debe utilizar una altura de caída de 0.76 m y la operación de jalar y soltar la cuerda debe llevarse a cabo con ritmo.

� Manejo de las muestras: traer el muestreador a la superficie y abrirlo. Registrar el porcentaje

de recuperación o longitud de la muestra recuperada. Describir las muestras se suelos recuperadas indicando composición, color, estratificación y condición.

� Posteriormente se coloca una o más porciones representativas de la muestra en

contenedores sellados para prevenir la pérdida de humedad sin alterar cualquier estratificación aparente. También se colocan etiquetas a los contenedores con el nombre del proyecto, número de sondeo, profundidad de la muestra y el número de golpes por cada incremento de 0.15 m. Se protegen las muestras contra los cambios extremos de temperatura. Si existe cambio en el suelo de la muestra, se separa el material de cada estrato en diferentes contenedores y se reporta su localización de acuerdo con el barril del muestreador.

Para la perforación se utilizó el método de lavado, y cumplió con las siguientes características:

� El sondeo avanzó en incrementos para permitir el muestreo intermitente o continuo. El intervalo de prueba seleccionado fue de 0.15 m por tratarse de estratos homogéneos con ubicación de la prueba y el muestreo en cada cambio de estrato.

� La perforación fue limpia y estable previa a la inserción del muestreador, asegurando que la prueba se realizara esencialmente en suelo inalterado.

Los resultados del Sondeo de Penetración Estándar (SPT-01) se presentan en la figura 2.8, en ella se observa:

• De 0.00 a 0.60 m existe una capa vegetal.

• De 0.60 a 3.00 m. hay una arcilla de baja compresibilidad con poca arena de consistencia firme color café claro, un contenido natural de humedad de 18% y una resistencia a la penetración estándar promedio de 15 golpes.

• De 3.00 a 6.00 m. Arcilla de baja plasticidad de consistencia dura con arena de color café amarillento, un contenido natural de humedad de 13% una resistencia a la penetración estándar de 46 golpes

• De 6.00 a 10.80 m. Se presenta una arena de compacidad relativa alta con arcilla de color café claro un contenido natural de humedad de 7% y una resistencia a la compresión simple de 45 golpes.


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Figura 2.8 Sondeo de Penetración Estándar SPT-01 (propia).


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2.1.3.2 Pruebas índice en suelos. a. Contenido de Natural de Humedad ω (%). Esta prueba tiene como objetivo, determinar la cantidad de agua que posee una muestra de suelo húmedo, respecto al peso de la muestra seca. El equipo y material utilizado es el siguiente:

- Horno eléctrico que mantenga una temperatura constante de 105 a 110°C - Balanza de 0.1 g de precisión - Charola y cápsulas de aluminio - Espátula - Cristal de reloj.

Procedimiento:

- Se anota el número de la cápsula y se pesa, anotándola como peso de la tara ( taraW )

- Se colocan de 50 a 100 g de suelo húmedo en la cápsula y se pesa, registrándolo como el peso del suelo húmedo + tara ( taramW + )

- Se seca el suelo en el horno de 18 a 24 horas, se saca del horno, se deja enfriar y se pesa registrando el peso de suelo seco + tara ( tarasW + )

El contenido de humedad de un suelo se obtiene: s

w

W

W=(%)ω

Donde:

tarastaramw WWW ++ −== aguadel peso

taratarass WWW −== +seco suelodel peso

Esta prueba es de gran utilidad en la Mecánica de suelos, ya que de acuerdo a la variación del contenido de humedad en un perfil de un suelo, es posible predecir cambios en la estratigrafía o condiciones hidráulicas, y por lo tanto en las propiedades mecánicas del mismo. b. Peso Volumétrico γγγγm.

Por definición el peso específico o unitario es la relación del peso de la muestra de roca ( mW ) entre el

volumen que ocupa ( mV ). Tiene unidades de peso por volumen: g/cm³, kg/m³, t/m³, N/m³, kN/m³; y se

expresa mediante la siguiente ecuación:

m

m

V

W=γ

Para determinar en el laboratorio con mayor precisión el volumen de la muestra se emplea el principio de Arquímedes: “Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del líquido que desaloja”, es decir, el volumen de líquido desplazado es igual al volumen del


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cuerpo. Entonces el peso del líquido desplazado es igual al volumen del cuerpo multiplicado por el peso unitario del líquido. La prueba consiste en atar con un hilo una muestra de roca y suspenderla de un ganchillo a una

balanza anotando el peso mW , enseguida se sumerge la muestra en parafina previamente calentada,

hasta quedar totalmente cubierta, procurando una capa delgada que no permita alteraciones en el

peso mW debido a infiltraciones de agua o al desmoronamiento de la misma. Se determina el peso de

la muestra con la parafina mpW . Se introduce la muestra en un vaso de precipitado con agua y se

registra el peso de la muestra con parafina sumergida mpsW .

Mediante la expresión siguiente se obtiene el valor de mpV :

o

mpsmpmp

WWV

γ−

=

Donde:

=mpV Volumen de la muestra con parafina

=mpW Peso de la muestra con parafina.

=mpsW Peso de la muestra con parafina sumergida en agua.

=oγ Peso específico del agua destilada a una temperatura de 4° C y una presión atmosférica al

nivel del mar.

El volumen de la parafina se obtiene: op

mmpp

S

WW

ala parafin de relativo especifico Peso

ala parafin de PesoV

γ−

==

Finalmente el volumen de la muestra se determina: pmpm VVV −=

c. Granulometría

La prueba de granulometría de un suelo consiste en separar y clasificar por tamaños las partículas que lo forman. Esta clasificación puede realizarse por medio del cribado por mallas, para suelos gruesos y por el método del hidrómetro para suelos finos. El juego de mallas van desde la de 2”, 1 ½”, 1”, ½”, 3/8”, ¼”, No. 4, 10, 20, 40, 80, 100, 200. El procedimiento consiste en separar la muestra por medio de cuarteo, tomando una muestra de 0.5 a 1 kg. Si el material esta húmedo se seca en el horno y posteriormente se pesa. Después se satura el material, pudiendo lavar y separar manualmente las partículas gruesas (gravas), el resto se limpia por decantación sucesiva y lavándolo a través de la malla No 200. Después de limpiar el material de finos, este se seca nuevamente al horno y se pesa. la cantidad de finos se puede conocer de la diferencia de estos dos pesos secos obtenidos. Con la malla No. 4 se separa la porción retenida y la que pasa por esta malla, pesándose cada una de estas fracciones. Se limpia un juego de mallas y se colocan en orden decreciente hasta la No. 4, colocando la tapa y charola en la parte superior e inferior respectivamente, se vacía el material por la


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parte superior y se coloca en un agitador durante 5 minutos, se pesa la fracción retenida en cada malla y se anotan los resultados en la hoja de cálculo. Se debe comprobar que la suma de estos pesos sea igual al material utilizado con tolerancia del 1%. De la fracción que pasó la malla No. 4, se pesan 200 g, se coloca el juego de mallas menores a la No. 4 hasta la No. 200 en orden decreciente, colocando una charola en la parte inferior. Se vacían los 200 g de material, se tapa y se coloca en el agitador durante 10 minutos. El material retenido en cada malla se vacía en un recipiente para pesarlo, tratando de dejar la menor cantidad de material trabado en las mallas, evitando con ello la pérdida de material. Se pesan cada una de las porciones, incluyendo la fracción que pase la malla No. 200, cuyo peso se adicionará al peso de finos inicialmente determinado. Se calculan los porcentajes retenidos parciales, es decir, los pesos retenidos en cada malla divididos entre el peso seco total de la muestra. El retenido parcial en porcentaje correspondiente a la malla de mayor abertura deberá restarse al 100%, para calcularse el porcentaje de partículas que pasan esa malla. Después se realizan sustracciones sucesivas restando el valor inmediato superior obtenido, el porcentaje retenido en la malla que le sigue y así sucesivamente hasta la malla No. 4. Con la fracción menor a la malla No. 4 se procede similarmente pero respecto a la fracción seca utilizada (200 g) para referir los porcentajes a la muestra total se multiplican los porcentajes de los 200 g por el porcentaje del material menor a la malla No. 4 de la muestra total. Con los porcentajes que pasan cada malla y su abertura correspondiente, se dibuja la curva granulométrica. Finalmente se calculan los porcentaje de gravas, arenas y finos, así como: el diámetro efectivo, los coeficientes de uniformidad Cu y Curvatura Cc; y se clasifica el suelo de acuerdo al S.U.C.S.

- El diámetro efectivo ó D10 corresponde al diámetro en la curva de distribución del tamaño de partículas correspondientes al 10% de finos.

- El coeficiente de uniformidad esta dado por 10

60

D

DCu = , donde D60 es el diámetro

correspondiente al 60% de finos en la curva de distribución granulométrica.

- El coeficiente de curvatura se expresa como 1060

230

DD

DC c ×

= , donde D30 es el diámetro

correspondiente al 30% de finos en la curva de distribución granulométrica. Estos tres parámetros permiten clasificar a los suelos granulares en bien o mal graduados.

d. Límites de Plasticidad. La granulometría proporciona una primera aproximación a la identificación del suelo, pero a veces queda poco claro, por lo que se utilizan unos índices que definen la consistencia del suelo en función del contenido de agua. Atterberg definió tres límites: el de retracción o consistencia que separa el estado sólido seco y el semisólido, el límite plástico Lp, que separa el estado semisólido y plástico; y


75

el límite líquido Ll, que separa el estado plástico del fluido. Los dos últimos de estos límites son los más usados y se determinan de la siguiente forma:

- Límite Líquido: para determinarlo se utiliza un dispositivo que consiste en una copa de bronce y una base de hule duro, figura 2.8. Esta copa se deja caer sobre la base por una leva operada por una manivela. Para la prueba se coloca una pasta de suelo húmedo en la copa. Se corta una ranura en el centro de esta pasta de suelo, usando una herramienta de corte estándar. luego con la leva operada con la manivela se levanta la copa a una altura de 10 mm a razón de 2 golpes por segundo, contando el número de golpes que se requieren para que la parte inferior de la ranura se cierre 1.27 cm, la ranura debe cerrarse por flujo del suelo y no por el deslizamiento del mismo respecto a la copa. Se remezcla el suelo en la copa y se repite el proceso dos veces más, sí el número de golpes para cerrar la ranura es constante en las tres ocasiones, sino es así, el procedimiento se repite una cuarta vez. Cuando se ha obtenido un valor constante del número de golpes, comprendido entre 6 y 35, se toman 10 g del suelo de la zona próxima a la ranura para determinar de inmediato su contenido de agua. Esto se repite teniendo el suelo con otros contenidos de agua. De esta manera deberán obtenerse cuatro valores del número de golpes correspondientes a cuatro diferentes contenidos de agua, comprendidos entre 6 y 35 golpes. Finalmente se dibuja una gráfica (curva de fluidez) con los contenidos de agua (ordenadas en escala natural) y los números de golpe correspondientes (abscisas en escala logarítmica) esta curva debe considerarse como una recta entre los 6 y los 35 golpes y la ordenada correspondiente a los 25 golpes será el límite líquido.

Foto 2.2 Prueba para determinar el Límite Líquido de un suelo (propia).

- Límite plástico : Para obtenerlo se mezclan perfectamente alrededor de 15 g de suelo. Se

rola el suelo sobre una placa de vidrio o metal con la mano hasta alcanzar un diámetro de 3 mm. Esto se repite hasta que el cilindro presente señales de desmoronamiento o agrietamiento al alcanzar el diámetro de 3 mm. Al llegar al límite señalado, se determina el contenido de agua de una parte del cilindro correspondiente. El procedimiento se repite dos veces más, para obtener tres valores. El límite plástico será el promedio de estas tres cantidades.


76

La determinación de los límites líquidos y plásticos es importante ya que proporcionan información sobre la naturaleza de los suelos cohesivos, demás, son usados para correlacionar varios parámetros físicos del suelo así como para la identificación del mismo en el uso de la carta de plasticidad.

Una vez descritas las pruebas índices que se realizaron a las muestras del suelo, en la tabla 2.4 se presentan los sondeos con su respectiva clasificación de acuerdo al S.U.C.S, los valores obtenidos de peso volumétrico, porcentajes de gravas, arenas y finos, así como su contenido de humedad, límites líquidos, plásticos e índice de plasticidad. La resistencia a la compresión C y los valores del ángulo de fricción ф, se obtuvieron de ensayes de compresión triaxiales realizadas conforme a las normas ASTM.

Sondeo Clasificación Peso Volumétrico

% de grava

% de arena

% de finos ω (%) LL IP LP C,

kPa ф

PCA-01 Arena Limosa 16.38 28% 31% 41% 15.90% 46% 17% 29% 3.92 30

PCA-02 Arena Limosa 17.24 23% 29% 48% 23.50% 56% 21% 35% 4.05 30

PCA-03 Arena Limosa 16.54 24% 30% 46% 21.40% 51% 20% 31% 4.10 32

PCA-04 Arena Limosa 16.42 25% 48% 27% 5.70% 35% 10% 25% 3.52 31

PCA-13 Grava limosa 17.43 61% 27% 12% 12.40% 31% 6% 25% 3.47 35

PCA-14 Grava limosa 16.92 49% 43% 8% 15.20% 31% 4% 27% 3.12 35

PCA-15 Grava limosa 16.41 48% 25% 27% 5.70% 35% 9% 26% 3.56 35

PCA-16 Grava limosa 18.05 49% 33% 18% 7.00% 47% 6% 41% 3.40 35

PCA-19 Grava limosa 19.31 59% 36% 5% 7.50% 47% 15% 32% 3.49 36

PCA-32 Grava limosa 18.35 57% 38% 5% 27.00% 35% 7% 28% 3.40 33

PCA-35 Grava limosa 18.90 60% 35% 5% 9.00% 51% 11% 40% 3.42 33

PCA-37 Grava limosa 18.71 41% 32% 27% 7.80% 49% 4% 45% 3.72 34

PCA-38 Grava limosa 17.40 40% 32% 28% 27.60% 47% 9% 38% 3.85 35

PCA-39 Grava limosa 18.62 51% 38% 11% 10.70% 42% 10% 32% 3.93 37

PCA-40 Grava limosa 17.13 60% 37% 3% 5.80% 60% 16% 44% 2.78 38

PCA-41 Grava limosa 16.27 47% 44% 9% 6.40% 58% 18% 40% 3.00 37

PCA-42 Grava limosa 16.11 69% 0% 31% 7.10% 42% 6% 36% 4.22 37

PCA-43 Grava limosa 16.43 67% 30% 3% 10.70% 53% 13% 40% 3.98 37

PCA-44 Grava limosa 16.76 45% 38% 17% 11.10% 52% 15% 37% 4.02 36

PCA-45 Grava limosa 17.52 37% 33% 30% 10.50% 35% 5% 30% 3.30 37

PCA-46 Grava limosa 17.34 67% 13% 20% 10.60% 40% 12% 28% 3.99 38

PCA-47 Grava limosa 16.82 54% 21% 25% 17.40% 37% 11% 26% 4.07 37

Tabla 2.4 Clasificación, propiedades índice y mecánicas de las muestras de suelos obtenidas de los pozos a cielo

abierto a lo largo de la línea de transmisión (propia).


77

2.1.3.3 Pruebas índice y mecánicas en núcleos de ro ca. a. Peso volumétrico. El peso específico de las muestras de roca se obtuvo por el método del desplazamiento de mercurio, conforme al Manual de Procedimientos para la determinación de P ropiedades Índice de la roca de la Sociedad Mexicana de Rocas A. C.: Equipo utilizado:

- Una balanza de capacidad adecuada capaz de pesar a una aproximación de 0.01 en peso de la muestra.

- Un frasco con mercurio para inmersión. - Sistema de apoyo, para la colocación de pesos y equilibrar el empuje ascendente que

sufre la muestra al sumergirla en mercurio. Procedimiento, figura 2.9:

- Se pesa la muestra con su humedad natural, mW .

- Mediante la balanza se obtiene el volumen de la muestra mV de la manera siguiente: en

la balanza se obtienen los pesos del frasco + mercurio + sistema de apoyo. - Al sistema de apoyo se colocan las pesas correspondientes para sumergir la muestra en

el mercurio hasta que se sumerja completamente. - Mediante la ecuación siguiente se obtiene el volumen de la muestra.

Donde:

=mW Peso de la muestra.

=Q Peso agregado, con las pesas al sistema de apoyo para sumergir la muestra.

=mV Volumen de la muestra.

Figura 2.9 Determinación del peso volumétrico de una muestra de roca en laboratorio (propia).

mmm VQWW 6.13++=


78

b. Prueba de Compresión simple. Se muestrearon fragmentos de roca, obtenidos directamente del fondo de los pozos a cielo abierto y de los cortes naturales existentes. Se colectaron fragmentos de roca de aproximadamente (50 x 50 x 50 cm) y se les marcó la parte superior para recordar su posición en campo. Posteriormente en el laboratorio por medio de una nucleadora, se obtuvieron núcleos de 3" de diámetro posteriormente se cabecearon, la parte superior de cada núcleo obtenido se marcó al igual que la original para ejercer la presión en ese punto. Los núcleos de roca se ensayaron a compresión simple conforme a la norma ASTM-D2938-86 (Resistencia a la compresión uniaxial de núcleos de roca intacta”. Las muestras cilíndricas se prepararon de acuerdo a los siguientes requerimientos:

- Relación altura diámetro (L/D) de 2.0 a 2.5, y diámetro mayor a NX 48 mm (1 7/8 in).

- Los lados de la muestra deben ser lisos y libres de alteraciones, con rectificación menor de 0.50 mm en toda la muestra.

- Los extremos de la muestra se cortaran paralelamente una a otra y en ángulo recto al eje longitudinal, deben ser superficies totalmente pulidas a 25 µm.

- Los extremos de la muestra no se apartaran del eje longitudinal de la muestra en más de

0.25°, es decir, una inclinación de aproximadamente 200

1.

- El uso de recubrimientos, acabados o algún otro tratamiento en las caras extremas de la muestra, aparte del esmerilado o pulido, no son permitidos.

- El diámetro de la muestra será aproximado a los 0.25 mm (0.01 g) y se determinara por el promedio de dos medias del diámetro en ángulo recto a media altura de la muestra. El promedio de estas medidas será el diámetro empleado para calcular el área de la sección transversal de la muestra.

- La altura de la muestra se determinará con aproximación a los 0.25 mm (0.01 in). En general el dispositivo de carga para el ensayo debe estar equipado por dos placas de acero HRC 58. Una de estas placas debe tener un asiento esférico. Las caras de las placas no deben separarse del plano por más de 0.013 mm cuando los bloques son nuevos, y deben conservar una variación permisible de 0.025 mm. El diámetro de la base esférica deberá al menos igual al de la muestra a ensayar y menor a 2 veces el diámetro de la muestra. El centro de la curvatura de este asiento, las placas y la muestra deben estar correctamente centrados unos respecto a los otros y a la máquina de carga. La carga se aplica de manera constante hasta llegar a la falla que ocurre de 5 a 15 minutos aproximadamente. El esfuerzo a compresión simple se obtiene dividiendo la carga máxima ocurrida durante el ensayo entre el área de la sección transversal previamente calculada. Los resultados de peso volumétrico y resistencia a la compresión simple para los sondeos donde se encontró roca se muestran en la siguiente tabla:


79

Sondeo Localización Clasificación Peso Volumétrico (kN/m 3)

Resistencia a la compresión simple (MPa)

PCA-05 7+445.06 Toba acida 16.75 26.29

PCA-06 8+098.25 Toba acida 20.86 23.84

PCA-07 8+751.43 Toba acida 22.97 21.19

PCA-08 9+404.62 Toba acida 20.40 22.17

PCA-09 10+057.80 Toba acida 18.86 11.18

PCA-10 10+710.99 Toba acida 20.86 24.72

PCA-11 11+978.23 Toba acida 22.86 36.56

PCA-12 13+245.47 Toba acida 20.90 23.71

PCA-17 18+903.73 Riolita 19.31 23.34

PCA-18 19+198.39 Riolita 18.35 23.61

PCA-20 20+104.62 Riolita 18.35 26.72

PCA-21 20+716.19 Riolita 18.90 34.14

PCA-22 21+327.76 Riolita 18.71 26.84

PCA-23 21+939.33 Riolita 17.40 27.54

PCA-24 22+550.90 Riolita 18.62 25.31

PCA-25 23+531.97 Riolita 17.13 28.11

PCA-26 24+431.78 Riolita 16.27 18.74

PCA-27 24+919.98 Riolita 16.11 25.31

PCA-28 25+408.18 Riolita 16.43 25.00

PCA-29 25+896.38 Riolita 16.76 24.49

PCA-30 26+384.58 Riolita 17.52 24.33

PCA-31 26+872.77 Riolita 17.34 23.57

PCA-33 28+930.92 Riolita 18.90 20.60

PCA-34 29+870.21 Riolita 18.71 23.60

PCA-36 31+762.32 Riolita 18.71 26.39

Tabla 2.5 Resultados de pruebas índices y mecánicas en muestras de roca (propia).

De manera particular se tratan los sitios PCA-09 Y PCA-26, debido a que en ellos se ubicaran las torres tipo EA422MA, para las cuales se realizará el diseño de su cimentación. Los resultados de peso volumétrico y resistencia a la compresión simple de estos sitios se presentan en seguida:

Estación Sitio Tipo de roca Peso Volumétrico (kN/m 3) Resistencia (MPa)

E-09 PCA-9 Toba acida 18.86 11.18

E-25 PCA-26 Riolita 16.27 18.74

Las pruebas de compresión simple de cada uno de estos puntos son los siguientes:


80

Ubicación: 10+057.80 øs= 5.10 cm as= 20.43 cm²

øc= 5.11 cm ac= 20.51 cm²

Sondeo: PCA-09 øi= 5.10 cm ai= 20.43 cm²

Profundidad: x hi= 10.74 cm am= 20.48 cm²

N° Carga

acumulada (kN)

Lectura micrómetro

(mm)

Deformación unitaria ( ε)

Deformación unitaria ( ε,%)

Área corregida

(cm 2)

Esfuerzo desviador (kN/cm 2)

1 0.0 0.000 0.0000 0.000 20.48 0.000 2 20.0 0.082 0.0008 0.076 20.50 0.976 3 40.0 0.143 0.0013 0.133 20.51 1.950 4 60.0 0.194 0.0018 0.181 20.52 2.924 5 80.0 0.235 0.0022 0.219 20.53 3.897 6 100.0 0.270 0.0025 0.251 20.53 4.870 7 120.0 0.291 0.0027 0.271 20.54 5.843 8 140.0 0.308 0.0029 0.287 20.54 6.816 9 160.0 0.322 0.0030 0.300 20.54 7.788

10 180.0 0.330 0.0031 0.307 20.54 8.761 11 200.0 0.350 0.0033 0.326 20.55 9.733 12 210.0 0.364 0.0034 0.339 20.55 10.218 13 220.0 0.386 0.0036 0.359 20.56 10.703 14 230.0 0.413 0.0039 0.385 20.56 11.186 15 225.0 0.455 0.0042 0.424 20.57 10.939

Gráfica 2.1 Curva Esfuerzo – Deformación, PCA-09 (propia)

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Esf

ue

rzo

, K

g/c

m²

Deformación Unitaria, %


81

Ubicación: 24+431.78 øs= 5.09 cm as= 20.35 cm²

øc= 5.09 cm ac= 20.35 cm²

Sondeo: PCA-26 øi= 5.10 cm ai= 20.43 cm²

Profundidad: hi= 10.19 cm am= 20.36 cm²

N° Carga

acumulada (kN)

Lectura micrómetro

(mm)

Deformación unitaria ( ε)

Deformación unitaria ( ε,%)

Área corregida

(cm 2)

Esfuerzo desviador (kN/cm 2)

1 0.0 0.000 0.0000 0.000 20.36 0.000 2 34.0 0.008 0.0001 0.008 20.36 1.670 3 67.0 0.014 0.0001 0.013 20.36 3.290 4 100.0 0.019 0.0002 0.018 20.37 4.910 5 133.0 0.023 0.0002 0.022 20.37 6.530 6 166.0 0.026 0.0003 0.025 20.37 8.151 7 199.0 0.028 0.0003 0.027 20.37 9.771 8 233.0 0.030 0.0003 0.029 20.37 11.440 9 266.0 0.031 0.0003 0.030 20.37 13.060

10 299.0 0.032 0.0003 0.031 20.37 14.680 11 332.0 0.034 0.0003 0.033 20.37 16.300 12 349.0 0.035 0.0003 0.034 20.37 17.134 13 365.0 0.037 0.0004 0.036 20.37 17.919 14 382.0 0.040 0.0004 0.039 20.37 18.754 15 380.0 0.044 0.0004 0.043 20.37 18.655

Gráfica 2.2 Curva Esfuerzo – Deformación, PCA-26 (propia).

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Esf

ue

rzo

, K

g/c

m²

Deformación Unitaria, %


82

c. Prueba de extracción de anclas. La prueba de extracción de anclas se realizo de acuerdo a la Especificación CFE C0000-42 "Anclas de Fricción para Cimentación" en el PCA-9 y PCA-26, debido a que como se mencionó anteriormente, en estos puntos se ubicarán las torres tipo EA422MA, y los resultados de estas pruebas se utilizaran para el diseño de sus respectivas cimentaciones. Las anclas que se usaron son de acero de refuerzo de 2.54 cm de diámetro con una resistencia especificada a la fluencia de 420 MPa. El mortero empleado tiene una resistencia a la compresión simple de 18 MPa. El resumen de las pruebas de extracción de anclas se presenta a continuación:

Sitio Resistencia ultima

de anclaje ( kN ) Observaciones

PCA-9 150.0 Se llevo a 206 kN el mortero y la roca no presentaron falla

PCA-26 180.0 Se llevo a 216 kN el mortero y la roca no presentaron falla

Sitio: PCA-9 (toba ácida): Longitud anclada: 3.00 m

Carga ( kN )

Deformación ( mm )

Primer ciclo Segundo ciclo Tercer ciclo Falla

carga descarga carga descarga carga descarga

0 0 0 0 0 0 0 0

10 0 0.02 0.03 0.14 0.02 0.05 0.05

20 0.01 0.11 0.06 0.2 0.07 0.17 0.09

29 0.02 0.19 0.1 0.32 0.12 0.29 0.16

39 0.04 0.31 0.2 0.46 0.22 0.47 0.33

49 0.14 0.4 0.43 0.51 0.44 0.56 0.55

59 0.27 0.57 0.6 0.84 0.59 0.85 0.72

69 0.38 0.7 0.81 0.96 0.79 0.93 0.98

88 0.78 1.06 1.08 1.23 1.05 1.21 1.22

108 0.94 1.28 1.3 1.54 1.26 1.46 1.41

128 1.1 1.38 1.5 1.61 1.47 1.71 1.72

147 1.42 1.42 1.74 1.74 1.74 1.74 1.88

157 2.15

167 2.98

177 3.26

186 4.09

196 4.87

206

5.65

216


83

Grafica 2.3 Ciclo de carga y descarga, PCA-9 (propia).

Sitio: PCA-26 (Riolita): Longitud anclada: 3.00 m

Carga (kN)

Deformación (mm)

Primer ciclo Segundo ciclo Tercer ciclo Falla

carga descarga carga descarga carga descarga

0 0 0 0 0 0 0 0

10 0.04 0.1 0.06 0.15 0.06 0.16 0.05

20 0.07 0.14 0.12 0.19 0.15 0.17 0.16

29 0.1 0.18 0.15 0.21 0.18 0.23 0.19

39 0.12 0.2 0.17 0.25 0.22 0.28 0.24

49 0.14 0.27 0.21 0.27 0.28 0.31 0.32

59 0.17 0.3 0.26 0.3 0.32 0.35 0.39

69 0.2 0.35 0.3 0.35 0.37 0.39 0.41

88 0.25 0.37 0.35 0.38 0.4 0.42 0.47

108 0.29 0.39 0.39 0.42 0.44 0.47 0.53

128 0.36 0.4 0.42 0.46 0.47 0.48 0.59

147 0.42 0.42 0.47 0.47 0.48 0.48 0.66

157 0.75

167 0.84

177 0.91

186 1.08

196 1.97

206 2.64

216 3.42

0

50

100

150

200

250

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

Ca

rga

(k

N)

Deformacion (mm)


84

Grafica 2.4 Ciclo de carga y descarga, PCA-26 (propia).

2.2 DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN. A continuación se presenta el diseño geotécnico de las cimentaciones para las torres EA422MA que se ubicaran en los PCA-09 y PCA-26. Los datos generales para estos sitios de estudio son:

� En el PCA-9 se encontró superficialmente una capa vegetal de 12 cm de espesor promedio y

le subyace una toba ácida de composición riolítica con las siguientes características: roca ígnea intrusiva del paleozoico superior devónico, producto de la alteración de la capa de origen volcánico piroclástico, cuyos componentes principales son arenas y cenizas volcánicas, con fragmentos angulosos de cuarzo, de textura clástica de grano medio, y RQD de 59%.

� En el PCA-26 se encontró superficialmente una capa vegetal de 10 cm de espesor promedio y

le subyace una roca riolítica sana con las siguientes características: color gris claro de textura vítrea, estructura fina con mineralogía: compuesta de cuarzo, feldespato y mica; de origen extrusivo.

Estación Sitio Tipo de roca Peso Volumétrico (kN/m 3) Resistenci a (MPa)

E-09 PCA-9 Toba acida 18.86 11.18

E-25 PCA-26 Riolita 16.27 18.74

Sitio Resistencia ultima de

anclaje (kN) Observaciones

PCA-9 150.0 Se llevo a 206 kN

el mortero y la roca no presentaron falla

PCA-26 180.0 Se llevo a 216 kN

el mortero y la roca no presentaron falla

0

50

100

150

200

250

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

Ca

rga

(k

N)

Deformacion (mm)


85

2.2.1 Características Generales.

Figura 2.10 Torre EA4A22MA (cortesía de CFE)

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES: Resistencia a la compresión simple del concreto (f’c)= 28.00 MPa

Peso especifico del concreto (γc)= 24.00 kN/m3

Resistencia a la fluencia del acero (fy)= 420.00 MPa

Peso especifico del material de relleno(γre)= 18.00 2mkN

β= 15.00 °

GEOMETRIA DE LA TORRE EA422MA: Ancho de la base (AB)= 16.00 m

Ancho de la cintura(AC)= 2.60 m

Altura piramidal(AP)= 50.50 m


86

ELEMENTOS MECÁNICOS:

Tensión= 539.55 kN Compresión= 735.75 kN

VxT= 88.29 kN VxC= 137.34 kN

VyT= 78.48 kN VyC= 107.91 kN → Calculo de la distancia dc.

( ) ( ) ( ) ( )25.0

50.50

60.2200.1625.035.00.1

225.0 2222

=⋅−⋅+=

−+=AP

ACABhldd c m.

→ Fuerzas actuantes en el dado de la cimentación.

o Para compresión.

42.17345sin91.10745cos34.13745sin45cos' =⋅+⋅=°+°= CCC VyVxVx kN

81.2045sin34.13745cos91.10745sin45cos' −=⋅−⋅=°−°= CCC VxVyVy kN

o Para tensión.

92.11745sin48.7845cos29.8845sin45cos' =⋅+⋅=°+°= TTT VyVxVx kN

94.645sin29.8845cos48.7845sin45cos' −=−=°−°= TTT VxVyVy kN

o Momentos actuantes

( ) 48.42000.135.042.17375.73525.0)ldh(c'VxdcCMy =⋅⋅+⋅=++= kN⋅m

09.28)00.135.0(81.20)ldh(c'VyMx =+−=+= kN⋅m

2.2.2 Diseño Geotécnico de la zapata anclada en roc a en la estación 10+057.80. → Propiedades del terreno.

Tipo de Roca= Toba Ácida

Resistencia a la compresión simple= 11.18 MPa

Peso Volumétrico de la roca= 18.86 kN/m3

Ángulo de arrancamiento= 30.00°

Resistencia al arrancamiento del ancla= 216 kN

Adherencia Mortero-Roca= 2.50 MPa

→ Calculo de la capacidad de carga de la cimentación .

Evaluando la ecuación 1.11 y conociendo los valores para C, My y Mx (735.75 kN, 420.48 kN⋅m, 28.09

kN⋅m respectivamente) así mismo el valor del factor de carga (1.1) se puede evaluar dicha ecuación teniendo como variable b, los resultados obtenidos se presentan en la grafica 2.5


87

b(m) )mkN(,AFcQ ⋅∑

1.00 3,769.90

1.20 2,275.33

1.30 1,826.44

1.50 1,236.91

1.60 1,038.94

1.80 757.44

2.00 572.40

2.20 445.26

2.40 354.67 Tabla 2.6 Valores de capacidad de carga en función de la base (propia).

Grafica 2.5 Ancho de la cimentación vs Capacidad de carga resistente (propia).

La capacidad de carga de la roca se determina considerando que la resistencia se obtuvo mediante pruebas de laboratorio por lo que el valor de FR es de 0.50, conjuntamente con las observaciones realizadas en campo se clasifica a la roca como sana por lo que se toma un factor de reducción igual a 0.40.

2,236.002.236MPa50.018.1140.0 ==⋅⋅== RcR FKRq kN/m2

De la tabla 2.6 y de la grafica 2.5 se observa que con un ancho mínimo 1.30 se alcanza una resistencia superior a la capacidad de roca, sin embargo se utilizara un ancho de cimentación igual a 1.50 m. → Revisión a flexotensión. Debe cumplirse con la ecuación 1.18, considerando las siguientes ecuaciones:

WrWcTTe −−= afIa

Mrs =σ 22 MyMxMr +=

0.00

500.00

1,000.00

1,500.00

2,000.00

2,500.00

3,000.00

3,500.00

4,000.00

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00


88

o Calculo de la tensión efectiva aplicada a la zapata.

� Calculo del peso de cimentación.

De la geometría de la cimentación se obtiene la siguiente ecuación para calcular el peso de la misma:

( )( ) cldddhbaWc γ⋅⋅⋅⋅=

Sustituyendo los siguientes valores en la ecuación anterior se tiene que:

a=b= 1.50 m h= 0.35 m d= 0.35 m ld= 1.00 m

γc= 24.00 kN/m3

( )( ) 43.210.240.135.035.035.05.15.1 =⋅⋅⋅⋅⋅=Wc kN

Figura 2.11 Dimensiones de zapata (propia)

� Calculo del peso que gravita en la cimentación.

Para obtener el peso del relleno se aplica la siguiente expresión


dfbaV cre ++

+⋅⋅= ββπ 2

2

3

Sustituyendo los valores conocidos y considerando un valor de df igual 0.80 y β=15° se tiene que:

( ) ( ) ( ) 37.250.150.11580.080.03

1580.080.05.15.1 2

2

=++

+⋅⋅= Tan

TanV cre π m3

Aplicando la ecuación 1.20 obtenemos el peso del relleno:

66.420.1837.2 =⋅=⋅= ⋅ rcreVWr γ kN

Conociendo los valores de T, Wc y Wr se obtiene Te:

76.47566.4243.2155.539 =−−=−−= WrWcTTe kN Para satisfacer la ecuación anterior se ensaya la resistencia que ofrece diferentes arreglos de anclaje, considerando que el diámetro de las anclas es de 2.54 cm y que la tensión admisible en el ancla es 150 kN, los resultados obtenidos se presentan en la siguiente tabla:


89

N° de anclas IIIIa σσσσ As Tmax

4 1.96 301.01 0.00203 119.46

6 1.96 301.01 0.00304 80.15

8 2.94 200.67 0.00405 60.24

10 2.94 200.67 0.00507 48.56

12 4.92 120.02 0.00608 40.34 Para el elegir el numero de anclas que se utilizara en el diseño se selecciona el menor número de anclas que satisfaga la condición en la que tensión máxima resultante sea inferior a la tensión de ancla admisible (150 kN), que en este caso corresponde a un arreglo de cuatro anclas. → Revisión al arrancamiento .

Debe cumplirse con la siguiente expresión:

PFcT < Ecuación 1.22

Considerando lo siguiente:

conoWWrWc90.0P ++=

Wc=21.43 kN Wr=42.66 kN Y que el peso del cono de arrancamiento es igual a:

rocroconoVW γ= ( ) ( ) ( )bfafTanlala

3

laTanlabfafV 2

2

cro+θ+

θπ+⋅⋅=

Sustituyendo los siguientes valores en las ecuaciones anteriores se obtiene que:

40.1== bfaf m

50.3=la m

°=30θ

( ) ( ) ( ) 63.414.14.130Tan5.35.33

30Tan4.15.34.14.1V 2

2

cro=++

π+⋅⋅=

14.78586.1863.41Wcono

=⋅= kN

09.84714.78566.4243.2190.0 =++⋅=P kN El valor del factor de carga en la revisión al arrancamiento es igual a 1.50, por lo que se tiene que:

PFcT <

( ) 09.84755.53950.1 <

09.84733.809 <


90

Con los valores anteriores propuestos se cumple con la desigualdad. → Revisión a deslizamiento horizontal Debe cumplirse con la ecuación 1.31

RRD FDF <

La resultante de las fuerzas actuantes es el mayor obtenido de las siguientes expresiones:

13.11881.2042.173'' 2222 =−+=+= CCC VyVxV kN

66.17494.692.119'' 2222 =−+=+= TTT VyVxV kN

Considerando que rZRRR SAFFD = , se tiene que:

25.250.150.1 =⋅=ZA m

( ) 29712025.21.1 === rZRRR SAFFD kN

De acuerdo a lo anterior se observa que:

( ) 29712025.21.166.174 ===<= rZRRRD SAFFDF

2.2.3 Diseño Geotécnico de la zapata anclada en roc a en la estación 24+431.78 → Propiedades del terreno.

Tipo de Roca= Riolita

Resistencia a la compresión simple= 11.18 MPa

Peso Volumétrico de la roca= 16.27 kN/m3

Ángulo de arrancamiento= 30.00°

Resistencia al arrancamiento del ancla= 150 kN

Adherencia Mortero-Roca= 2.50 MPa → Calculo de la capacidad de carga de la cimentación . La capacidad de carga de la roca se determina considerando que la resistencia se obtuvo mediante pruebas de laboratorio por lo que el valor de FR es de 0.50, conjuntamente con las observaciones realizadas en campo se clasifica a la roca como sana por lo que se toma un factor de reducción igual a 0.40.

00.748,3MPa748.350.074.1840.0 ==⋅⋅== RcR FKRq kN/m2


91

De la tabla 2.6 y de la grafica 2.5, se observa que una resistencia superior a la capacidad de roca se obtiene con un ancho mínimo de 1.20 m, sin embargo se utilizara un ancho de cimentación igual a 1.50 m. → Revisión a flexotensión. Debe cumplirse con la ecuación 1.18, considerando las siguientes ecuaciones:

WrWcTTe −−= afIa

Mrs =σ 22 MyMxMr +=

o Calculo de la tensión efectiva aplicada a la zapata.

� Calculo del peso de cimentación.

De la geometría de la cimentación se obtiene la siguiente ecuación para calcular el peso de la misma:

( )( ) cldddhbaWc γ⋅⋅⋅⋅=

Sustituyendo los siguientes valores en la ecuación anterior se tiene que:

a=b= 1.50 m h= 0.35 m d= 0.35 m ld= 1.00 m

γc= 24.00 kN/m3

( )( ) 43.210.240.135.035.035.05.15.1 =⋅⋅⋅⋅⋅=Wc kN

� Calculo del peso que gravita en la cimentación.

Para obtener el peso del relleno se aplica la siguiente expresión


dfbaV cre ++

+⋅⋅= ββπ 2

2

3

Sustituyendo los valores conocidos y considerando un valor de df igual 0.80 y β=15° se tiene que:

( ) ( ) ( ) 37.250.150.11580.080.03

1580.080.05.15.1 2

2

=++

+⋅⋅= Tan

TanV cre π m3

Aplicando la ecuación 1.20 obtenemos el peso del relleno:

66.420.1837.2 =⋅=⋅= ⋅ rcreVWr γ kN

Conociendo los valores de T, Wc y Wr se obtiene Te:


92

76.47566.4243.2155.539 =−−=−−= WrWcTTe kN Para satisfacer la ecuación anterior se ensaya la resistencia que ofrece diferentes arreglos de anclaje, considerando que el diámetro de las anclas es de 2.54 cm y que la tensión admisible en el ancla es 206 kN, los resultados obtenidos se presentan en la siguiente tabla:

N° de anclas IIIIa σσσσ As Tmax

4 1.96 301.01 0.00203 119.46

6 1.96 301.01 0.00304 80.15

8 2.94 200.67 0.00405 60.24

10 2.94 200.67 0.00507 48.56

12 4.92 120.02 0.00608 40.34 Para el elegir el numero de anclas que se utilizara en el diseño se selecciona el menor número de anclas que satisfaga la condición en la que tensión máxima resultante sea inferior a la tensión de ancla admisible (150 kN), que en este caso corresponde a un arreglo de cuatro anclas. → Revisión al arrancamiento .

Debe cumplirse con la siguiente expresión:

PFcT < Considerando lo siguiente:

conoWP ++= WrWc90.0

Wc=21.43 kN Wr=42.66 kN Y que el peso del cono de arrancamiento es igual a:

rocrocono VW γ= ( ) ( ) ( )bfafTanlalalaTan

labfafV cro ++

+⋅⋅= θθπ 2

2

3

Sustituyendo los siguientes valores en las ecuaciones anteriores se obtiene que:

40.1== bfaf m

50.3=la m

°=30θ

( ) ( ) ( ) 63.414.14.1305.35.33

304.15.34.14.1 2

2

=++

+⋅⋅= Tan

TanV cro π

15.78074.1863.41 =⋅=conoW kN

81.82215.78066.4243.2190.0 =++⋅=P kN


93

El valor del factor de carga en la revisión al arrancamiento es igual a 1.50, por lo que se tiene que:

PFcT <

( ) 81.82255.53950.1 <

81.82233.809 < Con los valores anteriores propuestos se cumple con la desigualdad. → Revisión a deslizamiento horizontal Debe cumplirse con la ecuación 1.31

RRD FDF <

La resultante de las fuerzas actuantes es el mayor obtenido de las siguientes expresiones:

13.11881.2042.173'' 2222 =−+=+= CCC VyVxV kN

66.17494.692.119'' 2222 =−+=+= TTT VyVxV kN

Considerando que rZRRR SAFFD = , se tiene que:

25.250.150.1 =⋅=ZA m

( ) 29712025.21.1 === rZRRR SAFFD kN

De acuerdo a lo anterior se observa que:

( ) 29712025.21.166.174 ===<= rZRRRD SAFFDF

2.2.4 Recomendaciones para la construcción de la ci mentación.

• Proceder a la excavación hasta el nivel de desplante propuesto (correspondiente a la profundidad a la que se encuentra la roca mas 20 cm adicionales para eliminar el espesor intemperizado), estas excavaciones tendrán dimensiones en planta suficientes para alojar las dimensiones propuestas para las zapatas. Esta operación podrá efectuarse con pistolas rompedoras neumáticas o similares. Los taludes de la excavación serán verticales.

• Posteriormente hacia las esquinas de cada excavación efectuar el número de barrenos verticales que indique el proyecto con el diámetro y la profundidad que recomiende el ingeniero estructurista. Estas operaciones se realizaran con broca de tungsteno o similar.

• Introducir cada barra de anclaje de acero corrugado en el centro de la perforación, posteriormente se inyectara un mortero o lechada a presión con resistencia mínima a la compresión de 220 kg/cm2, deberá utilizarse algún aditivo expansor; es opcional incluir varillas con expansores en la punta para incrementar la resistencia a la extracción.


94

• A continuación se construirá las zapatas de cimentación procurando que las barras de anclaje queden perfectamente ligadas con el acero de refuerzo de las zapatas.

• Proceder a rellenar compactando al 95% con respecto al peso volumétrico seco máximo del material utilizado para el fin.


vii

RESULTADOS

Los resultados obtenidos del diseño geotécnico en la siguiente tabla, en esta se aprecia que las dimensiones de la cimentación para satisfacer las condiciones carga son similares para ambos tipos de roca encontrados, sin embargo, su profundidad de anclaje varía, para el caso de la toba ácida se necesita mayor longitud debido a que en la prueba de extracción de anclas presenta valores inferiores que los obtenidas por la riolita.

TIPO DE ROCA PROFUNDIDAD DE

DESPLANTE (mts)

ANCHO DE LA CIMENTACIÓN

(mts)

NUMERO DE ANCLAS

LONGITUD DE ANCLAJE

(mts)

TOBA ÁCIDA 0.80 1.60 4 3.30

RIOLITA

0.80 1.60 4 3.10


viii

CONCLUSIONES

• De la revisión bibliográfica se observo que la especificación CFEJA100-64 no contempla el diseño por sismo de las cimentaciones.

• Se propone que en la especificación CFEJA100-64, en lo que respecta a cimentaciones desplantadas en roca, se incluyan aspectos fundamentales de la calidad del macizo rocoso, principalmente la existencia de discontinuidades, mismas que se deben incluir en el diseño geotécnico.

• En la especificación CFEJA100-64 no se contempla la existencia de suelos estratificados. El diseño geotécnico aquí desarrollado limita su uso a la existencia de afloramientos superficiales de roca, por lo que es necesario realizar nuevos proyectos que puedan emplearse para distintas condiciones del terreno.


ix

BIBLIOGRAFÍA

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2. Coates D. F., (1973), “Fundamentos de Mecánica de Rocas, Blume, España, (pp. 352-365).

3. Hoek E. y Bray J. W., (1981), “Rock slope engineering”, The Institution of mining and metallurgy, London. (pp. 22-28, 83-120).

4. Juárez Badillo Eulalio y Rico Rodríguez Alfonso, (2005), “Mecánica de suelos I: Fundamentos de la Mecánica de Suelos”, Limusa, México. (pp. 351-376, 613-632).

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12. Especificación CFE 10100-36-1983 Perforación con máquina rotaria y recuperación de muestras de núcleo.

13. Especificación CFE J1000-50-2002 Torres para Líneas de Subtransmisión y Transmisión.

14. Especificación CFE JA100-64-2005 Cimentaciones para Estructuras de Líneas de Transmisión.

15. Especificación CFE C0000-42-2001 Anclas de Fricción para Cimentación.

16. Especificación CFE 10000-63-1996 Estudio Geológico para la Ubicación de una Línea de Transmisión.

17. Secretaría de Recursos Hidráulicos (Dirección de Estudios y Proyectos. Departamento de Ingeniería Experimental). “Mecánica de Suelos: Instructivo para Ensaye de Suelos”, México, 1954.

18. Sociedad Mexicana de Mecánica de Rocas, A. C. “Manual de procedimientos para la determinación de las propiedades índice de las rocas”, (pp. 4-19).

19. IEEE Guide for Transmission Structure Foundation Design and Testing. American Society of Civil Engineers, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., USA 2001.

20. Norma ASTM D 2938-86 “Unconfined Compressive Strength of Intact Rock Core Specimens.

21. Norma Mexicana NMX-C-430-0NNCCE-2002 “Sondeos de pozo a cielo abierto”.

22. Norma Mexicana NMX-C-431-0NNCCE-2002 “Toma de muestra alterada e inalterada- Métodos de prueba


x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Elementos estructurales que componen una torre de transmisión (propia). 5 Figura 1.2 Estructuras de soporte en una línea de transmisión. (Carta topográfica INEGI) . 7 Figura 1.3 Torre de Transición (cortesía de CFE). 9 Figura 1.4 Torre con retenidas (propia). 10 Figura 1.5 Torre tipo Vertical (cortesía CFE) 10 Figura 1.6 Torre tipo delta (figura propia, foto tomada de la galería de JuanShot en www.flickr.com ) 11 Figura 1.7 Componentes estructurales de una Torre tipo Vertical de Suspensión, dos circuitos (con disposición vertical de cables conductores) (cortesía de CFE). 12 Figura 1.8 Componentes estructurales de una Torre tipo Delta de suspensión, un circuito (con disposición horizontal) (cortesía de CFE). 13 Figura 1.9 Máquina perforadora rotatoria (propia). 20 Figura 1.10 a) Barra de avance, b) chuck o broquero y c) sistema hidráulico (propia). 21 Figura 1.11 Equipo utilizado para perforación rotatoria (Especificación CFE 10100-36). 23 Figura 1.12 Barriles muestreadores convencionales (Manual de diseño de obras Civiles, B.1.4) 24 Figura 1.13 Obtención del valor de RQD en un núcleo de roca (Adaptado de Clayton et al., 1995 en González de Vallejo et al., 2004). 28 Figura 1.14 Esquema de la prueba de extracción de anclas (cortesía de de CFE). 32 Figura 1.15 Geometría de una zapata aislada anclada en roca (propia). 35 Figura 1.16 Distancia dc , a la aplicación de la carga (propia). 36 Figura 1.17 Geometría de una Torre Vertical (propia). 37 Figura 1.18 Elementos Mecánicos actuantes en la zapata (propia). 38 Figura 1.19 Fuerzas cortantes en los ejes x', y (propia). 39 Figura 1.20 Rocas con juntas (propia). 41 Figura 1.21 Momentos actuantes en la zapata (propia). 44 Figura 1.22 Método del cono de tierra (propia). 45 Figura 1.23 Determinación del volumen de cono para el relleno (propia). 45 Figura 1.24 Arreglos de anclaje para 4, 8 y 12 anclas, respectivamente (propia). 47 Figura 1.25 Momento de inercia de diferentes arreglos de anclaje (propia).. 47 Figura 1.26 Cono de arrancamiento (propia). 49 Figura 1.27 a) Anclajes largos b) Anclajes cortos (Serrano y Ollalla, 1999) . 49 Figura 1.28 Superficies potenciales de falla asumidas para el diseño de la longitud de anclaje en macizos rocosos: (a) falla potencial iniciada en la base de la longitud anclaje, (b) falla potencial iniciada en el centro de la longitud de anclaje y (c) falla potencial iniciada en la parte superior de la longitud de anclaje (base de la longitud libre de anclaje). (Department of the Army U.S. Army Corps of Engineers, 1999) 50 Figura 1.29 Determinación del volumen del cono de roca (propia). 50 Figura 1.30 Fuerza de deslizamiento máxima (propia). 54 Figura 2.1 Ubicación geográfica del municipio de Namiquipa

(Adaptado de INEGI. Marco Geoestadístico, 2000). 56 Figura 2.2 Figura 2.2 Ubicación geográfica de la LT. Quevedo-Menonita. (INEGI. Carta topográfica Buenaventura H13-7, 2007). 57 Figura 2.3 Fisiografía predominante en el sitio de estudio, http://maps.google.com. 58 Figura 2.4 Nomenclatura geológica (Adaptado de la Carta geológica Buenaventura H 13-7, SPP Coordinación General de los Servicios Nacionales de Estadística, Geografía e Informática, 1983). 60 Figura 2.5 Geología existente a lo largo de la línea de Transmisión Quevedo – Menonita (Carta geológica Buenaventura H 13-7, SPP Coordinación General de los Servicios Nacionales de Estadística, Geografía e Informática, 1983). 61 Figura 2.6 Ubicación de sondeos de exploración (Adaptado de la Carta geológica


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Buenaventura H 13-7, SPP Coordinación General de los Servicios Nacionales de Estadística, Geografía e Informática, 1983). 63

Figura 2.7 Perfiles estratigráfico a lo largo del trazo de la línea de transmisión (propia). 65 Figura 2.8 Sondeo de Penetración Estándar SPT-01 (propia). 71 Figura 2.9 Determinación del peso volumétrico de una muestra de roca en laboratorio (propia). 77 Figura 2.10 Torre EA4A22MA (cortesía de CFE). 85 Figura 2.11 Dimensiones de zapata(propia). 88


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ÍNDICE DE FOTOS

Foto 1.1 Componentes de una línea de transmisión (cortesía de CFE) 5 Foto 1.2 Estructuras de soporte: postes y torres (propia). 6 Foto 1.3 Principales tipos de torres de transmisión (propia) . 8 Foto 1.4 Sondeo con equipo rotatorio (propia). 19 Foto 1.5 Viga de acero (cortesía de CFE). 29 Foto 1.6 Extensómetros (cortesía de CFE). 29 Foto 1.7 Bases magnéticas (cortesía de CFE). 29 Foto 1.8 Gato hidráulico (cortesía de CFE). 30 Foto 1.9 Bomba hidráulica (cortesía de CFE). 30 Foto 1.10 Sistema de soporte de los extensómetros (cortesía de CFE) . 30 Foto 1.11 Colocación de apoyos de la viga (cortesía de CFE). 33 Foto 1.12 Colocación del sistema de cargas (cortesía de CFE). 33 Foto 1.13 Colocación de extensómetros (cortesía de CFE) 33 Foto 1.14 Registro de deformaciones (cortesía de CFE). 34 Foto 2.1 Elaboración de sondeos tipo Pozo a Cielo Abierto (PCA), con retroexcavadora

(Cortesía de CFE). 64 Foto 2.2 Prueba para determinar el Límite Líquido de un suelo (propia) 75


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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Nomenclatura de las Torres de Líneas de Transmisión (propia). 9 Tabla 1.2. Combinaciones y factores de carga (Especificación CFE J1000-50-2002 Torres para Líneas de Subtransmisión y Transmisión). 15

Tabla 1.3. Descripción del grado de meteorización. (Adaptado de González de Vallejo et al., 2004). 16

Tabla 1.4. Tamaño estándar y designación del aparato, barril de extracción y barra perforadora compatible (Braja M. Das) . 22 Tabla 1.5 Clasificación de rocas en función del valor obtenido de RQD

(Adaptado de González de Vallejo et al., 2004). 28 Tabla 1.6 Valores de β (Especificación CFE JA100-64, 2005). 45 Tabla 1.7 Valores típicos de resistencia a la adherencia.

(IEEE Guide for Transmission Structure Foundation Design and Testing). 53 Tabla 2.1 Coordenadas del trazo de la L.T. Quevedo – Menonita (propia). 57

Tabla 2.2 Características generales de los sondeos de exploración realizados a lo largo de la línea de transmisión (propia). 62 Tabla 2.3 Localización de PCA y SPT a lo largo de la línea de transmisión (propia). 62 Tabla 2.4 Clasificación, propiedades índice y mecánicas de las muestras de suelos obtenidas de los pozos a cielo abierto a lo largo de la línea de transmisión (propia). 76 Tabla 2.5 Resultados de pruebas índices y mecánicas en muestras de roca (propia). 79 Tabla 2.6 Valores de capacidad de carga en función de la base (propia). 87


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ÍNDICE DE GRÁFICAS

Grafica 1.1 Valores K vs ac (Manual de Diseño de Obras Civiles, B.3.3) 42

Grafica 2.1 Curva Esfuerzo – Deformación, PCA-09 (propia). 80 Grafica 2.2 Curva Esfuerzo – Deformación, PCA-26 (propia). 81 Grafica 2.3 Ciclo de carga y descarga, PCA-9 (propia). 83 Grafica 2.4 Ciclo de carga y descarga, PCA-26 (propia). 84 Grafica 2.5 Ancho de la cimentación vs Capacidad de carga resistente (propia). 87

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