MUROS DE CONTENCIÓN

Ing. Percy De La Cruz I.

MECÁNICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VÍAS DE TRANSPORTE

Semana diez

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDESEscuela Profesional de Ingeniería Civil

MUROS DE CONTENCIÓN

Definición:

son estructuras que tienen la finalidad de proporcionar estabilidad contra la rotura demacizos de tierra o roca, soportando las presiones laterales o empuje que pueden serproducidas por el peso propio del macizo o sobrecargas aplicadas sobre él. Su estabilidadse debe fundamentalmente al peso propio y al peso del material que está sobre sufundación.

Existen muros masivos rígidos y muros masivos flexibles:

Muros masivos rígidos

Las estructuras rígidas, generalmente de concreto, las cuales no permiten deformacionesimportantes sin romperse. Se apoyan sobre suelos competentes para transmitir fuerzasde su cimentación al cuerpo del muro y de esta forma generar fuerzas de contención.

Muros masivos flexibles

Son estructuras masivas, flexibles. Se adaptan a los movimientos. Su efectividad dependede su peso y de la capacidad de soportar deformaciones importantes sin que se rompa suestructura .

Concreto armado Concreto ciclópeo

Esquema de muros rígidos (Suárez, 2009).

MUROS RIGIDOS

MUROS FLEXIBLES

Esquema de muros flexibles (Suárez, 1998).

Los muros de contención también se puede clasificar de la siguiente manera:

Muros de gravedad: Son muros con gran masa que resisten el empuje mediante su propiopeso y con el peso del suelo que se apoya en ellos; suelen ser económicos para alturasmoderadas, menores de 5 m, son muros con dimensiones generosas, que no requieren derefuerzo.

Los muros de gravedad pueden ser de concreto ciclópeo, mampostería, piedra o gaviones. Laestabilidad se logra con su peso propio, por lo que requiere grandes dimensionesdependiendo del empuje.

Muros en voladizo: Este tipo de muro resiste el empuje de tierra por medio de la acción envoladizo de una pantalla vertical empotrada en una losa horizontal (zapata), ambosadecuadamente reforzados para resistir los momentos y fuerzas cortantes a que estánsujetos.

Estos muros por lo general son económicos para alturas menores de 10 metros, para alturas mayores, los muros con contrafuertes suelen ser más económicos.

La forma más usual es la llamada T, que logra su estabilidad por el ancho de la zapata, de talmanera que la tierra colocada en la parte posterior de ella, ayuda a impedir el volcamiento ylastra el muro aumentando la fricción suelo-muro en la base, mejorando de esta forma laseguridad del muro al deslizamiento.

Muros con contrafuertes: Los contrafuertes son uniones entre la pantalla vertical del muroy la base. La pantalla de estos muros resiste los empujes trabajando como losahorizontalmente, son muros de concreto armado, económicos para alturas mayores a 10metros. Los contrafuertes se pueden colocar en la cara interior de la pantalla en contacto conla tierra o en la cara exterior donde estéticamente no es muy conveniente.

Los muros con contrafuertes representanuna evolución de los muros en voladizo,ya que al aumentar la altura del muroaumenta el espesor de la pantalla, esteaumento de espesor es sustituido por loscontrafuertes; la solución conlleva unarmado, encofrado y vaciado mascomplejo.

Tabla 2.11. Ventajas y desventajas de los diversos tipos de muro rígido

Nota. Tomado de Suárez (1998).

Tabla 2.12. Ventajas y desventajas de los diversos tipos de muros flexibles

Nota. Tomado de Suárez (1998).

PASOS EN EL DISEÑO DE MUROS PARA LA ESTABILIZACIÓNDE DESLIZAMIENTOSTabla 3.13. Pasos a seguir en el diseño de muros de contención para estabilizar deslizamientos.

Nota. Tomado de Suárez (2009).

DIMENSIONAMIENTO DE MUROS DE CONTENCIÓN DE GRAVEDAD Y VOLADIZO

Para el dimensionamiento de muros de contención en voladizo y gravedad existen diferentesbibliografías, por lo cual podemos usar las recomendaciones de Braja (2006) en dondemuestra las proporciones generales de diferentes componentes de muros de contenciónusados para las revisiones iniciales (figura 3.30).

la profundidad, Df de fundación, hasta la base de la losa debe tener por lo menos 0.6m. Alrespecto la norma AASHTO (2002), recomienda que la profundidad de fundación Df, no serámenor de 60cm (2 pies) en suelos sólidos, sanos y seguros. En otros casos y en terrenosinclinados la Df no será menor de 120cm (4 pies). La norma E-050 del RNE (2006)recomienda como mínimo 0.80 m para cimentaciones superficiales.

Figura 3.30.

Dimensiones

aproximadas para

varios componentes

de muros de

retención para

revisiones iniciales de

la estabilidad: (a)

muro de gravedad;

(b) muro en voladizo

(Braja, 2006).

2.11.2. ESTABILIDAD DE MUROS DE CONTENCIÓN

El análisis de la estructura contempla la determinación de las fuerzas queactúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de tierra, pesopropio, peso de la tierra de relleno, cargas y sobrecargas con la finalidad deestudiar la estabilidad al volcamiento y deslizamiento, así como el valor de laspresiones de contacto.

Respecto a lo anterior la publicación No. FHWA NHI-06-089 (2006) consideraverificar lo siguiente:

• Revisión por volteo (respecto a la punta)

• Revisión por deslizamiento a lo largo de la base

• Revisión por falla de capacidad de carga

• Revisión de la estabilidad global (conjunto).

(a) Volteo (b) Deslizamiento

(c) Capacidad de carga (d) Estabilidad global

Figura 2.35. Mecanismos de falla en muros de contención (Publicación No.

FHWA NHI-06-089, 2006).

A. Revisión por volteo

El factor de seguridad mínimo contra volteo respecto a la punta es 2 para el análisisestático y 1.5 para el sísmico. Este factor de seguridad se define como:

𝐹𝑆(𝑣𝑜𝑙𝑡𝑒𝑜) =Ʃ𝑀𝑅

Ʃ𝑀𝐴(2.29)

Dónde:

Ʃ𝑀𝐴 = suma de los momentos de las fuerzas que tienden a voltear al muro respectoa la punta (Momento actuante o desestabilizador)Ʃ𝑀𝑅 = suma de los momentos de las fuerzas que tienden a resistir el volteo respectoa la punta (Momento resistente o estabilizante).

Los momentos actuantes son generados por el empuje activo del relleno y por elempuje de la sobrecarga que puede existir sobre él. Los momentos resistentes oestabilizantes son debidos al peso de la estructura y del suelo que está apoyadosobre el talón y la punta del muro.

El empuje pasivo del relleno sobre la punta y la sobrecarga, también generanmomentos resistentes que contribuyen a la estabilidad de muro, pero quegeneralmente, por seguridad, no se considera, ya que el relleno sobre la puntapuede ser removido y no hay garantía de permanencia

B. Revisión por deslizamiento a lo largo de la base

Este factor de seguridad por deslizamiento se expresa por la ecuación:

𝐹𝑆(𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜) =Ʃ𝐹𝑅′Ʃ𝐹𝑑

(2.30)

Donde:Ʃ𝐹𝑅′ = Fe = suma de fuerzas horizontales resistentes (Fuerzas estabilizantes)Ʃ𝐹𝑑 =Fd=suma de fuerzas horizontales de empuje o actuante (Fuerzas desestabilizadoras).

La figura 2.36 muestra que la fuerza pasiva 𝑃𝑃 es también una fuerza resistente horizontal en elcaso que se considere. Por consiguiente:

Ʃ𝐹𝑅′ = (Ʃv)tanb + B𝑐𝑎+𝑃𝑃 (2.31)• b = ángulo de fricción entre el suelo y la losa de base• 𝑐𝑎= adhesión entre el suelo y la losa de base• ƩV = suma de las fuerzas verticales La única fuerza horizontal que tenderá a generar un deslizamiento en el muro (fuerza de empuje)en el análisis estático es la componente horizontal de la fuerza activa 𝑃𝑎, por lo que:

Ʃ𝐹𝑑 = 𝑃𝑎cos (2.32)

= ángulo de inclinación del empuje activo con la horizontalFinalmente usando las ecuaciones (2.30), (2.31) y (2.32) se obtiene:

La adhesión entre el suelo y la losa de base𝑐𝑎 está en función a la cohesión del suelo defundación, por ello cuando la cohesión esc=0, entonces se tendrá también 𝑐𝑎= 0. Hayrecomendaciones de Braja (2006) en dondedescribe que: = k1’2 y 𝑐𝑎= k2xc2. En lamayoría de los casos, k1 y k2 están en elintervalo de 1/2 a 2/3.

Donde: ’2 y c2 son parámetros del suelo defundación.

Braja (2006) menciona que en muchos casosse desprecia la fuerza pasiva 𝑃𝑃 en el cálculodel factor de seguridad con respecto aldeslizamiento.

Las fuerzas actuantes son originadas por el empuje activo del relleno y la sobrecarga que actúasobre él. Las fuerzas resistentes son el peso del muro, peso del suelo, el empuje pasivo encaso que se considere y la fricción en la base.

Figura 2.36. Revisión por deslizamiento a lo largo

de la base (Braja, 2006)

C. Revisión de la falla por capacidad de cargaLa presión vertical en la base de la zapata de muro transmitida al suelo debe ser contrastada con lacapacidad de carga máxima del suelo y que la presión vertical aplicadas en la fundación por laestructura de contención no debe superar el valor de la capacidad de carga máxima del suelo defundación. En general, se requiere un factor mínimo de seguridad contra la falla por capacidad decarga de 3 para el caso estático (Publicación No. FHWA NHI-06-089, 2006).

En la figura 2.37 Observe que 𝑞𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎 𝑦 𝑞𝑡𝑎𝑙ó𝑛 son las presiones máxima y mínima que ocurren enlos extremos de las secciones de la punta y del talón, respectivamente.

La suma de las fuerzas verticales que actúan sobre la losa de base es Ʃ𝑉 y la fuerza horizontal 𝑃ℎ es𝑃𝑎cos (figura 2.37). Sea R la fuerza resultante:

R = Ʃ𝑉 + 𝑃ℎ (2.34)El momento neto de estas fuerzas respecto al punto C en la figura 2.37 es

𝑀𝑛𝑒𝑡𝑜= Ʃ𝑀𝑅 − Ʃ𝑀𝐴 (2.35)Y para el cálculo del punto de aplicación de la resultante R se expresa como:

𝑋 = 𝑑 =𝑀𝑛𝑒𝑡𝑜

Ʃ𝑉(2.36)

Dónde:Ʃ𝑉=Suma de fuerzas verticales, que es igual a la fuerza normal actuando en la base “𝑁”Por consiguiente, la excentricidad de la resultante se expresa como:

• 𝑒 =𝐵

2− 𝑋 (2.37)

• La distribución de presiones bajo la losa de base se determina usando las siguientes expresiones:

𝜎𝑚á𝑥 = 𝜎1(𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎) =Ʃ𝑉

𝐵1 +

6𝑒

𝐵(2.38)

𝜎𝑚í𝑛 = 𝜎2(𝑡𝑎𝑙ó𝑛) =Ʃ𝑉

𝐵1 −

6𝑒

𝐵(2.39)

La resultante debe estar ubicado en el tercio central de la base y la 𝑒 ≤𝐵

6y para el análisis

dinámico 𝑒 ≤𝐵

3.

Para estimar la capacidad de carga ultima aplicamos la fórmula de Terzaghi y a la vez usando laTabla H.1.1 , según recomendaciones de la publicación No FHWA-06-089 (2006) tal como sigue:

Dónde:

c = cohesión del suelo

= peso unitario del suelo de fundación𝑞 = 𝛾𝐷𝑓

𝐷𝑓= profundidad de cimentación

𝑁𝑐 , 𝑁𝑞 , 𝑁𝛾 = factores de capacidad de

carga que están únicamente en función del ángulo de fricción del suelo.

Finalmente el factor de seguridad contra falla por capacidad de carga se determina:

𝐹𝑆(𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) =𝑞𝑢

𝑚á𝑥(2.41)

Figura 2.37. Revisión de falla por capacidad de carga (Braja, 2006)

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGATabla H.1.1. Factores de capacidad de carga

Nota. Tomado de la AASHTO (2004, citado por la publicación No FHWA NHI-06-089, 2006)

D. Revisión de la estabilidad global

Es el movimiento general de la masa de la estructura de un muro y del suelo adyacente(conjunto suelo-muro).

La estabilidad global de la masa del suelo debe ser verificado con respecto a la superficie defalla más crítica, se deben considerar ambas superficies de deslizamiento circular y no circular,el cual se puede desarrollar utilizando un método clásico de análisis de estabilidad de taludes.

Incumplimiento de las condiciones de estabilidad

En caso de no cumplir con la estabilidad al volcamientoy/o con las presiones de contacto, se debe redimensionarel muro, aumentando el tamaño de la base.

Si no se cumple con la estabilidad al deslizamiento, debemodificarse el proyecto del muro,para ello hay varias alternativas:

a) Aumentar el tamaño de la base, para que de estamanera se incremente el peso del muro y la fricción suelode fundación–muro.

b) Colocar dentellón o diente que se incruste en el suelo

Aún durante sismos de poca intensidad, lamayoría de los muros de retenciónsufrirán desplazamientos lateraleslimitados.

La figura 2.38 muestra un muro deretención con varias fuerzas actuandosobre él, que son las siguientes (porunidad de longitud del muro):

• 𝑊𝑤 = Peso del muro

• 𝑃𝑎𝑒 = Fuerza activa con la condición de sismo tomada en consideración.

El relleno del muro y el suelo sobre el cualel muro descansa se suponen sincohesión. Considerando el equilibrio delmuro.

considerar Kv = 0 y el valor de Kh del estudio sísmico de la zona.

DISEÑO DE MUROS DE RETENCIÓN DE GRAVEDAD POR CONDICIÓN SÍSMICA

Figura 2.38. Estabilidad de un muro de

retención bajo fuerzas sísmicas (Braja, 2001)

FACTORES DE SEGURIDAD PARA ANALISIS ESTÁTICO Y PSEUDOESTATICOLos factores de seguridad mínimo considerados para el diseño de muros de contención se puede detallarlo siguiente:

FACTORES DE SEGURIDAD PARA ANÁLISIS ESTÁTICO

FACTORES DE SEGURIDAD PARA ANÁLISIS PSEUDO-ESTÁTICO

• Excentricidad: Máximo B/3• Para capacidad portante en el análisis sísmico el factor de seguridad mínimo es 2.5 (norma E-050 del RNE, 2006).

Factor de seguridad FS

A deslizamiento

A volcamiento

A capacidad portante

A estabilifdad de taludes

Mínimo especificado por AASHTO y FHWA

1.50

2.00

3.00

1.30

Tabla 3.26. Factor de seguridad mínimo para análisis estático

Nota . Tomado de AASHTO (2002) y FHWA (2006)

- Excentricidad: Máximo B/6

Factor de seguridad FS

A deslizamiento

A volcamiento

A estabilifdad de taludes

Mínimo especificado por AASHTO

1.125

1.50

1.10

Tabla 3.27. Factor de seguridad mínimo para análisis pseudo-estático

Nota . Tomado de AASHTO (2002)

PROTECCION CONTRA CAIDA DE ROCAS

Figura 2.40. Barrera para caídas de roca con muros de concreto ciclópeo - Carretera Central

PROTECCION CONTRA CAIDA DE ROCAS

Figura 2.40. Barrera para caídas de roca con gaviones – Carretera Central

Figura 2.40a. Muro de gaviones-talud con deslizamiento

MUROS APLICADOS A TALUDES CON DESLIZAMIENTO

SELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA DE CONTENCIÓN

Los siguientes factores deben tenerse en cuenta para seleccionar el tipo demuro de contención:

a. Localización del muro de contención propuesto, su posición relativa conrelación a otras estructuras y la cantidad de espacio disponible.

b. Altura de la estructura propuesta y topografía resultante.

c. Condiciones del terreno y agua freática.

d. Cantidad de movimiento del terreno aceptable durante la construcción y lavida útil de la estructura, y el efecto de este movimiento en muros vecinos,estructuras o servicios.

e. Disponibilidad de materiales.

f. Tiempo disponible para la construcción.

g. Estética.

CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA DE CONTENCIÓN

Cuando existan varias alternativas de estructuras de contención se deberealizar una comparación económica, de los cuales proponer el más óptimo(Suárez, 2009).

De la misma forma la Federal Highway Administration en su Publicación No.FHWA-NHI-00-043 (2001), menciona que para la selección del tipo deestructura se debe tener en cuenta los siguientes factores:

• Geología y condiciones topográficas• Condiciones ambientales• Tamaño y naturaleza de la estructura• Durabilidad• Estética• Disponibilidad de materiales• Experiencia con un determinado sistema• Costos

CAUSAS DE LAS FALLAS DE LAS ESTRUCTURAS DE CONTENCION DE CONCRETO ARMADO

Figura 2.41. Causas de la falla de las estructuras de contención de concreto armado (Suarez, 2009)

JUNTAS EN LOS MUROS DE CONTENCION

Existen dos tipos de juntas, de construcción y de dilatación. Durante la construcción de losmuros de contención, el gran volumen de concreto requerido no se puede colocar en unasola colada, este proceso hay que hacerlo por etapas, generando juntas de construcciónverticales y horizontales, que deben ser previstas. En este caso la superficie que deja la juntade construcción debe ser rugosa, con salientes y entrantes, de tal manera que se incrementela fricción en los planos en contacto, procurando garantizar la continuidad del material.

Los cambios de temperatura originan dilataciones y contracciones que hacen que el concretose fisure y agriete. Las juntas de dilatación o de expansión, son utilizadas para disminuir lafisuración y el agrietamiento en el concreto. Estas juntas son necesarias si no se provee almuro de suficiente acero de refuerzo de temperatura y de retracción.

Las juntas se rellena con asfalto con un espesor mínimo necesario de 1”, de talmanera que la junta se pueda abrir y cerrar sin causar resistencia alguna,impidiendo además el paso de la humedad a través de ella.

La norma AASHTO 2002, establece que se deben colocar juntas de contracción aintervalos que no deben exceder los 9,15 m (30 pies) y para juntas de expansiónno se debe exceder los 27,45 m (90 pies) para muros de gravedad o de concretoarmado.

FASE DE CONSTRUCCION DE UN MURO TIPICO

SECCIONES TIPICAS DE MUROS DE CONTENCION

Ing. Percy De La Cruz I.

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