Cátedra de Cátedra de Cátedra de Cátedra de

CimentacionesCimentacionesCimentacionesCimentaciones

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONALFacultad Regional Concordia

� CIMENTACIONES CIMENTACIONES CIMENTACIONES CIMENTACIONES ––––

� UTN UTN UTN UTN –––– CONCORDIA CONCORDIA CONCORDIA CONCORDIA –––– AÑO AÑO AÑO AÑO 2014201420142014

� Ing. ALEJANDRO C. GARCÍA

TEMAS A DESARROLLAR:

UNIDAD UNIDAD UNIDAD UNIDAD 5555

Estructuras de Contención Estructuras de Contención Estructuras de Contención Estructuras de Contención FlexiblesFlexiblesFlexiblesFlexibles

---- Suelo Reforzado – Uso de Geosintéticos

� 5-I-A. Retenciones Flexibles Apuntaladas. Presiones de suelo sobre entibaciones y tablestacas.

� 5-I-B. Tablestacados y Pantallas.

� 5-II. Tierra Armada, Aplicación en taludes y terraplenes.

� 5-IV. Suelo Claveteado. Gaviones.

� 5-V. Geosintéticos; Geotextiles; Refuerzo del plano de asiento de terraplenes y Protección de taludes; Geodrenes.

ESTRUCTURAS DE CONTENCION DE SUELOSESTRUCTURAS DE CONTENCION DE SUELOSESTRUCTURAS DE CONTENCION DE SUELOSESTRUCTURAS DE CONTENCION DE SUELOS

� DEFINICIÓNDEFINICIÓNDEFINICIÓNDEFINICIÓN

� MuroMuroMuroMuro dededede ContenciónContenciónContenciónContención dededede SuelosSuelosSuelosSuelos:Estructura permanente o temporaria,relativamente rígida y continua,que de forma Activa y/o Pasiva,produce un efecto estabilizador,

sobre una masa de terreno (natural o artificial)desequilibrada, ubicada en su parte posterior (trasdós).

� Terzaghi,Terzaghi,Terzaghi,Terzaghi, PeckPeckPeckPeck yyyy MesriMesriMesriMesri (1996):::: estructuraestructuraestructuraestructura destinadadestinadadestinadadestinada aaaasoportarsoportarsoportarsoportar suelossuelossuelossuelos quequequeque presentanpresentanpresentanpresentan pendientespendientespendientespendientes mayoresmayoresmayoresmayores quequequequesusususu ánguloánguloánguloángulo dededede reposoreposoreposoreposo.

� CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN

� Desde un punto de vista funcional ,

Jiménez Salas et al (1981); se pueden dividir en :

a) de Sostenimiento, b) de Retención o de Contención,c) de Revestimiento.

� En función de la Interacción sueloInteracción sueloInteracción sueloInteracción suelo‐‐‐‐estructura estructura estructura estructura - Ortuño, L. (2005)

� Estructuras RígidasRígidasRígidasRígidas: materiales, dimensiones y morfología ==== RigidezRigidezRigidezRigidez; No cambian de forma bajo los empujes del terreno. Los movimientos son de giro y/o traslación, sin deformaciones significativas por flexión.

� Estructuras FlexiblesFlexiblesFlexiblesFlexibles: soportan los empujes de tierras con deformaciones a flexión considerables o debido a sus deformaciones y restricciones modifican la configuración de empujes del terreno.

� Según la forma como contrarrestan los esfuerzos del suelo– B Das (2010)

a) de gravedad , el efecto estabilizador viene de su peso propio,

b) de semi-gravedad , estabilidad debida al peso de la tierra ubicada en la parte posterior del muro y sobre su zapata. La configuración geométrica, pueden ser :i. en cantiléver (en voladizo o ménsula) ii. con contrafuertes .

c) alivianados , el efecto estabilizador dado por el aprovechamiento de los suelos colocados en su trasdós (típico de muros ménsula).

Estructuras de Estructuras de Estructuras de Estructuras de Retención Retención Retención Retención de Suelosde Suelosde Suelosde Suelos

• Muros de Contención - Estabilidad debida a fricción y peso propio

�RIGIDAS:�Muros de Gravedad en Masa; �En Voladizo, Rigidizados con Contrafuertes, en “T” o en “L”;

�SEMI RIGIDAS:�Tierra Armada; Gaviones; Geo-celdas; Crib-Wall (cribas o jaulas);

• Entibaciones y Pantallas - Estabilidad debida a empotramiento, puntales y/oanclajes

� FLEXIBLES:�Entibaciones Temporarias (Muro Berlinés)�Tablestacados�Pantallas continuas (Muro Milán)�Pantallas discontinuas (de pilotes)�Suelos Claveteados (Soil-nails)

• Permanentes

• Temporarias

ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN DE SUELOS:RÍGIDAS y SEMI-RÍGIDAS

ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN DE SUELOS:FLEXIBLES

� Sí el movimiento del muro no es suficiente para desarrollar el

valor límite del empuje Activo, se debe utilizar un Empuje

Activo Aumentado, intermedio entre el valor del empuje en

Reposo y el Activo.

Se da en entibaciones con poca deformación o en tablestacas con

anclajes pretensados o puntales precargados, donde el movimiento

inicial de la pantalla es hacia el trasdós en el momento de apuntalar

la estructura.

� Asimismo se debe usar un Empuje Pasivo Reducido cuando el

movimiento del empotramiento no es suficiente para alcanzar el

valor límite de éste.

Empujes Intermedios• Generalidades

Estados de Equilibrio Límite

• Deformación necesaria para alcanzarlos

Experiencias indican:

� Movimientos necesarios para provocar el Estado Límite deEmpuje Activo en terrenos granulares de densidad media para una

altura H de muro; del orden de:

� Desplazamiento por Rotación alrededor de la cabeza = 0, 2% H

� Desplazamiento por Rotación alrededor del pie = 0, 5% H

� Traslación Horizontal = 0, 1% H

� Valores típicos de Rotación x/H necesaria para movi lizar el Empuje en Estados Límites

Tipo de terreno Empuje Activo KA Empuje Pasivo KP

Granular denso 0, 1 % 2 %

Granular suelto 0, 4 % 6 %

Cohesivo duro 1 % 2 %

Cohesivo blando 2 % 4 %

Ejemplo:� Empuje Sobre un Conducto

– Rígido en sus bordes

UNIDAD Nº 5 – 1° Parte

Estructuras de Contención y Estructuras de Contención y Estructuras de Contención y Estructuras de Contención y Anclajes Anclajes Anclajes Anclajes

ENTIBACIONES TEMPORARIAS

Año 2014Año 2014Año 2014Año 2014

RESUMEN DE PUNTOS IMPORTANTES

� Estructuras Flexibles de Retención:

� Principal empleo: se relaciona con excavaciones en taludesverticales – temporarias o provisorias.

� Tienen por objeto: solventar las presiones que generanlos suelos sobre estos taludes o cortes verticales.� Se corta el suelo del lugar - NO hay relleno contra el muro.

� Proyecto: ligado no solo a conocer la distribución delas presiones sino también al cálculo estático de suselementos de fijación, sean puntales, codales o anclajes.

APARTAMIENTO DE LA TEORÍA DE MUROS

RÍGIDOS. � La distribución de presiones detrás de una retención flexible

NO sigue en absoluto una ley lineal como en murosrígidos de sostenimiento.

� Depende del modo de deformación de las estructuras amedida que se construyen.

� No hay giro superior a partir de un punto fijo en la base comoen el caso de los muros rígidos.

� FALLAS:Muro Rígido : por rotación o traslación como un elementomonolítico.Retención Flexible : por pandeo de puntales o agotamiento dela capacidad de anclajes o por levantamiento del fondo.

� Objetivos:1. Proteger a los operarios;2. Evitar colapsos o desprendimientos; y3. Limitar los movimientos del terreno colindante.

Empujes Activos:

� Los EA a que son sometidos dependen no solamente del:

1. Tipo de Suelo lateral; sino también varían grandemente con:

2. Método Constructivo y Equipo de Excavación:a) Experiencia de la cuadrilla de excavación yb) Velocidad de ejecución o ritmo de obra;

3. Flexibilidad Relativa del Apuntalamiento respecto al suelo;4. Desplazamiento-Cedimiento Lateral de la pantalla, varia con:

I. Tiempo transcurrido entre excavación y apuntalamiento,II. Rigidez del apuntalamiento, etc.;

5. Tipo y Capacidad Portante del suelo del fondo de la fosa;6. Nivel Freático, piezómetrico, técnicas de abatimiento y

factores climáticos, etc.

Excavación de CONDUCTO

Diferentes configuraciones geométricas

Modos de falla de excavaciones acodaladas en trincheras .

DIFERENTES SISTEMAS DE ENTIBACIÓN� Sistemas Convencionales normalmente se distinguen:

1. Entibación Horizontal elementos del revestimientohorizontales - los empujes del terreno son transmitidos através de elementos verticales (pies derechos), los cuales seaseguran mediante codales.

2. Entibación Vertical – Tablestacado Liviano elementos derevestimiento verticales - los empujes del terreno sontransmitidos a vigas carreras horizontales, acodaladas.

3. Muro Berlinés tablones horizontales, dispuestos a medidaque avanza la excavación - estas tablas acuñadas,transmiten el empuje del suelo a perfiles metálicos “H”hincados previamente; asegurados mediante vigas carrerasapuntaladas.

Muro Berlinés

Tablestacado

Muro Berlinés

I. ESTABILIDAD EN EL FONDO DE UN CORTE� LEVANTAMIENTO DEL FONDO EN ARCILLA ( C = Cu).

� ESTABILIDAD DEL FONDO EN ARENA

1) FONDO EN ARCILLAAntes de considerar las presiones contra lasretenciones flexibles, es necesario evaluar si el fondode la excavación puede levantarse bajo el peso delos prismas laterales de suelo contiguos.

Se examina el coeficiente de seguridad al levantamiento de fondo .

Bx no puede ser mayor que 0,707.B porque la superficiede falla se extendería más allá del ancho de la zanja.

� La capacidad neta total de carga en el plano cd será:

(Para una base rugosa, L→ ∞∞∞∞) φφφφ u = 0; Nc ≈ 5,7;

Qu = Cu . Nc . Bx = Cu . 5,7 . 0,7 B

� Terzaghi (1943); Sugirió el Factor de Seguridad al levantamiento del fondo:

Fs = QBU/QV, Fs = 5,7 .Cu .Bx /( γγγγ .H . Bx - Cu .H ) = 5,7 Cu / (γγγγ - √√√√2Cu////B )H

1) LEVANTAMIENTO DEL FONDO EN ARCILLA

� Cuando el ancho B de la excavación es muy grande; Entonces √2/B → 0;

y si el manto de cohesión Cu sigue hasta una gran profundidad

� Si el valor de Ns es pequeño el coeficiente de seguridad FS

crece;

“Cuando mayor es la profundidad de la zanja: el número NsNsNsNs crece y el coeficiente FsFsFsFs decrece - más inestable es el fondomás inestable es el fondomás inestable es el fondomás inestable es el fondo”.

� Bjerrum y Eide (1956) propusieron un factor, más general: NbNbNbNb = Número función de la relación de forma de la excavación

Largo - Profundidad/Ancho: L/B; H/B, Gráfico de JambuJambuJambuJambu – similar al Concepto de Factor de Capacidad de Carga NcNcNcNc.

� Chang (2000) sugirió una revisión para el Factor de Seguridad,La resistencia al corte a largo de la superficie (= Cu.H), debe considerarse comoun incremento de la resistencia en vez de una reducción de la carga.El factor de capacidad de carga Nc = π+2 ≈ 5,14 para una zapata lisa,

Fs = 5,7 . Cu = NCγγγγ . H NS

NS = γγγγ .H/Cu Número de Estabilidad ; FS ≅≅≅≅ NC/NS

Fsb = Nb . Cu γγγγ .H + ∆∆∆∆q

Fs ≥ 1,50

Términos de la Estabilidad del Fondo

Zc = 2Cu1 /γγγγAltura Estable o Crítica:

Gráfico de Janbu (1968)

� Considera elfondo de la zanjacomo una zapatainvertida virtual .

� La capacidad decarga dependedel factor deforma B/L , y de larelaciónprofundidad-ancho H/B.

� El subíndice "b"se refiere al fondoo base de laexcavación

Fsb = Nb . Cu γγγγ .H + ∆∆∆∆q

Bjerrum y Eide (1956)

Suelo Estratificado

N'c = Factor de capacidad para L = ∞ función de C1 (CuSuperior) y C2 (Cu Inferior)

Fd = Factor de profundidad función de H/B

Fs = Factor de forma = (1+ 0,2 B / L)

H/B

Revisión del Factor de Seguridad

� Chang (2000)

1. Considera la resistencia al corte a largo de la superficie (= Cu.H), como un incremento de laresistencia en vez de una reducción de la carga.

2. El ancho Bx en el fondo de la de la excavación puede ser tratado como una zapatanegativamente cargada.

3. El factor de capacidad de carga es NcNcNcNc = π+2 ≈ 5555,,,,14141414 para una zapata perfectamente lisa,debido a la falta de restricción de la base de la excavación, en lugar de 5555,,,,7777 para zapata rugosay Øu = 0.

4. Si la longitud L de la excavación no pude considerase infinita, la capacidad de carga debecorregirse por el factor de forma:

� Sc = 1 + 0,2.B1/L.

• También puede utilizarse el factor de capacidad de carga NcNcNcNc dado por Skempton (1951) queincluye la corrección por el factor de forma Sc y por profundidad de empotramiento (o ficha)dc:

� Nc = 5,14 . Sc . dc = (1+2ππππ) . (1 + 0,2.B1/L) . (1 + √(0,053 + Df / B1)

• Si la arcilla es homogénea, resulta adecuado: FSb ≥1,50.

2) FONDO DE UN CORTE EN ARENA

� Caso con profundidad de zanja inferior al nivel freático y se requiere deprimir laexcavación para trabajar en seco, debe revisarse el factor de seguridad contra“Falla por Sifonaje”, también llamado “ebullición o tubificación”

� El “levantamiento del fondo”, ocurre cuando se crea un alto gradiente hidráulico porel agua que fluye desde abajo hacia el fondo de la excavación, y dicho gradientesupera al gradiente hidráulico crítico del suelo.

FSb = i crítico (suelo) ≥ 1,50 Factor de Seguridad

i máx.(salida)� EJEMPLO:Caída de Energía entre equipotenciales para el caso más desfavorable,diferencia de energía 13,00 m (N.F-Fondo Excavación):

� ∆hf = ∆h/Nd = 13m/15 = 0.867 m.Gradientes Hidráulicos - Crítico del suelo

� ic ≅ γγγγ´ = γγγγ ´sat - γγγγw = 2,10 – 1,00 = 1,10

γγγγw γγγγw 1.00

� imáx. = ∆hf/∆s = 0,87 m. / 1,62 m. = 0,53

Coeficiente de Seguridad:

� F = i crítico (suelo) / i máx.(salida) = 1,10/0,53 = 2.07 > 1,50

⇒ Verifica

II. DIAGRAMAS APARENTES DE PRESIÓN SOBRE ENTIBACIONES

“ La distribución de presiones es función de las prop iedades del suelo y de las restricciones a las deformaciones que va imponiendo

el método constructivo”.

“ Diagramas Empíricos Envolventes de Empujes Aparente s”

La gran variedad de factores e incertezas que afectan lamagnitud y la distribución del empuje sobre una entibación,y la gran nube de datos registrados en el mundo, durante laconstrucción de grandes excavaciones lineales a cieloabierto, como las redes de subterráneos y de desagües delas principales metrópolis;

justifica plenamente la adopción de:

La fuerza total Resultante (PT) de estos diagramas aparentes, envolventes y empíricos , siempre es mayor que la fuerza activa teórica de Rankine (PA);

PT / PA > 1

Si el muro es “flexible”:

Diagramas de Presión en Entibaciones -

Terzaghi y Peck - 1967

Mediciones en:

� Berlín, Múnich, Chicago, Nueva York

y Oslo – a mediados del siglo XX.

� En entibaciones Apuntaladas,

No con anclajes.

� De más de 6,00 m de profundidad.

Suponen el nivel piezométrico

deprimido o por debajo del fondo de la

excavación, para:

�Arena, en condición drenada Ø’.

�Arcilla, en condición no drenada Cu.

Posición de la resultantena = 0,46 a 0,5 H

Diagramas Envolventes de Empujes Aparentes Código de Edificación Ciudad de Bs. As.

TOSCA

Si:N ≤ 4; K’ A = 0,24<N<6; K’ A = 0,4

Si:N > 6

N ≥ 6N < 6

SEPARACIÓN ENTRE PUNTALES

� • La 1rª línea de codales en un suelo cohesivo debe estar a una profundidad:

Z < Z c ; siendo: Zc = 2Cu /γγγγ. Cestelli Guidi recomienda: Z = 1/3 Zc.

� • 1 rª línea en arenas aproximadamente a: 1,00 a 1,50 m. desde la superficie.

� • Sv = Verticalmente entre: 2,50 y 3,00 m.

� • Sh = Horizontalmente entre: 2,50 y 3,00 m.

Hc = 2Cu / γ

PUNTALES TELESCÓPICOS

Pre- esfuerzo

� PilotesPilotesPilotesPilotes----perfilesperfilesperfilesperfiles: Perfiles H (de acero de ala ancha),también se usan Perfiles U (canales de acero), tubos de

acero y de hormigón prefabricado.� Hincados o perforados a una distancia de 2222 aaaa 3333 metrosmetrosmetrosmetros.

� TablonesTablonesTablonesTablones dededede MaderaMaderaMaderaMadera

� Por efecto arco, se usan reglas empíricas, en lugar del diagramade presiones.

� Espesores Usuales de Tablones (e ≥ 2”)

Luz Libre 1,8 m. 2,4 m.

Espesor de Tablón 3”. 3-4”.

� El espesor mayor para la luz libre de 2,4 m, se asocia a cortes más profundosde 10 m. o en suelos como arenas saturadas con cohesión que tienencaracterísticas menos favorables al efecto de arco.

Excavación con Tablestacas:EMPOTRADAS y LIBRES

MODO OPERATIVO:

Colocación con Vibradora Eléctrica o Hidráulica

Tablestacas Livianas Tablestacas Livianas Tablestacas Livianas Tablestacas Livianas –––– para Entibaciones Temporariaspara Entibaciones Temporariaspara Entibaciones Temporariaspara Entibaciones Temporarias

� En Argentina ACINDAR; CIMTRONIC; CORIPA…

� En Entibaciones el tablestacado metálico es más caro que elsistema Berlinés, por lo que se utiliza cuando las condiciones delsuelo no permiten ese sistema, o si los costos de deprimir el nivelfreático son muy altos.