Pantallas delgadas de lodo ejecutadas mediante vibración de perfiles

Figura 1. Ejecución de una pantalla delgada de lodos. https://spezialtiefbau.implenia.com/

Las pantallas delgadas de lodo (thin slurry walls) actúan como barreras verticales para contener el flujo horizontal del agua subterránea. A diferencia de los muros pantalla, donde se sustituye el terreno por bentonita, las pantallas delgadas desplazan los suelos vibrando un perfil de acero (vibrated beam slurry walls).

Se trata de un sistema que se ha utilizado con éxito y de forma económica como pantallas de contención de filtraciones en presas, como medio para controlar las aguas subterráneas durante la ejecución de obras o como elemento de contención de residuos tóxicos. Se consiguen permeabilidades en el rango de k = 10-8 cm/s. Además, como se requiere poca excavación de material, se reduce el transporte de material a vertedero, aspecto realmente importante cuando se trata de suelos contaminados.

Mientras se vibra el perfil también se inyecta una lechada autoendurecible para ayudar como lubricante. Posteriormente se extrae el perfil, creando un espacio de 10-15 cm que se rellena con dicha lechada. Este método es adecuado para arenas y gravas. El grosor de la pared de lechada depende de la forma del perfil de acero utilizado y de las condiciones del terreno. El espesor varía entre 5 cm en arenas y 20 cm en gravas. Si se combina con una inyección de alta presión (jet grouting), se pueden alcanzar espesores de pantalla de 30 cm. Las profundidades máximas habituales se encuentran entre 15-30 m.

Figura 2. Detalle del perfil de acero introducido por vibración. https://spezialtiefbau.implenia.com/

Se forma una pantalla continua superponiendo elementos individuales, instalados uno tras otro mediante la vibración del perfil de acero. Una guía fijada al ala del perfil en el panel anterior asegura el solapamiento correcto con el panel en ejecución (Figura 3).

Figura 3. Esquema de ejecución de la pantalla delgada de lodo ejecutada mediante vibración de perfiles de acero. https://spezialtiefbau.implenia.com/

Os dejo un vídeo sobre este tipo de pantalla.

Dejo un artículo sobre este procedimiento de contención.

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REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Clasificación de las técnicas de control del agua en excavaciones

Figura 1. Bajo nivel freático. https://www.keller.com.es/experiencia/soluciones/bajo-nivel-freatico

Cuando se realiza una excavación, la presencia de agua subterránea siempre provoca problemas. No solo dificulta el desarrollo de los trabajos, sino que también debilita los taludes o el fondo, comprometiendo su estabilidad.

Las aguas interfieren el desarrollo de los trabajos, por lo que hay que evitar que lleguen a los tajos mediante captaciones locales, ataguía, canaletas, drenajes, etc., evacuándolas por gravedad, y reduciendo el bombeo a lo estrictamente necesario.

El impacto del agua es de tal relevancia que condiciona el diseño de la estructura y del procedimiento constructivo, afectando consecuentemente al coste. Por tanto, no hay más remedio que impedir en lo posible la entrada de agua en la excavación (barreras físicas permanentes o provisionales) y expulsar fuera la que pudiese entrar (bombeos), o bien modificando las propiedades en el terreno y el agua (inyecciones en el terreno, congelación).

Todas las técnicas que permiten excavar en presencia de agua, tanto sea creando barreras impermeables al abrigo de las cuales es posible drenar la excavación, o bien extrayendo el agua con un caudal mayor al que el terreno puede proporcionar, se van a denominar técnicas de control del nivel freático. No obstante, y en términos estrictos, el “control del nivel freático” (dewatering) solo se debería aplicar a acuíferos libres formados por suelos de grano grueso. En acuíferos libres de grano fino o en acuíferos confinados deberíamos hablar de “control de la presión intersticial” (pore water pressure).

Figura 2. Posibilidades de control del nivel freático mediante extracción del agua o por barreras impermeables

Pérez Valcárcel (2004) clasifica las técnicas en (a) sistemas de contención de agua: tablestacas, ataguías, muros pantalla, congelación o inyección del terreno; y (b) sistemas de drenaje de excavaciones: bombeo desde zanjas perimetrales, bombeo desde pozos filtrantes, bombeo con agujas filtrantes (wellpoint) y electroósmosis. Por su parte, García Valcarce et al. (1995), además de los sistemas de contención de agua mencionados, subdivide los sistemas de drenaje en sistemas de drenaje propiamente dichos y sistemas de agotamiento, donde entrarían los drenajes profundos.

No obstante, existen más clasificaciones. Por ejemplo, Powers (1992) clasifica dichas técnicas en cuatro grupos:

  • Sistemas de bombeo abierto (sump pumping): el flujo del agua de una excavación se recoge en zanjas y sumideros y posteriormente se bombea al exterior.
  • Sistemas de predrenaje o drenaje previo del terreno (predrainage): antes de excavar se drena el suelo mediante pozos de bombeo, wellpoints, eyectores o drenes. Se pretende una excavación en seco.
  • Sistemas de diafragmas o de contención del agua (cut off): mediante tablestacas, muros pantalla, pantallas de lodos, congelación del terreno o inyecciones. Suelen usarse en combinación con los sistemas de bombeo.
  • Sistema de exclusión del agua (excluded): mediante aire comprimido, una entibación de lechada o con una entibación de presión de tierras, muy utilizados en la construcción de túneles mediante escudos presurizados.

Se podrían resumir las clasificaciones anteriores en la propuesta de la Figura 3. En esta clasificación, la contención del agua se realiza mediante barreras físicas como ataguías o pantallas, o bien mediante métodos de exclusión; mientras que el drenaje se puede realizar antes o durante la excavación, diferenciando de esta forma el agotamiento del rebajamiento del nivel freático.

Figura 3. Clasificación de las técnicas de control del agua. Elaboración propia.

En el caso de la extracción del agua, tenemos dos posibilidades en función del momento en que realiza en relación con la excavación:

  1. Agotamiento del nivel freático, cuando se evacua el agua que se filtra al recinto de la excavación conduciéndola a una zanja o un sumidero, donde se bombea. Las filtraciones se controlan y evacúan durante la excavación, sin depresión previa del freático.
  2. Rebajamiento del nivel freático, cuando se hace descender el nivel freático por debajo de los taludes y el fondo del recinto de la excavación. Se controla y evacua el agua antes de la excavación.

El procedimiento a utilizar depende de los caudales a bombear, que a su vez dependen de la importancia de los acuíferos y del coeficiente de permeabilidad del terreno. Normalmente el rebajamiento es preferible al agotamiento directo, entre otras, por las siguientes razones:

  • En el caso del agotamiento, el recinto excavado está más o menos blando y encharcado, lo cual dificulta el paso de operarios y maquinaria. Con un rebajamiento previo, la excavación puede realizarse prácticamente en seco e incluso con un terreno ligeramente cohesionado debido a las fuerzas capilares. Además, es más sencillo excavar y transportar un terreno más bien seco que empapado.
  • El agotamiento puede provocar sifonamiento y tubificación, puede descomprimir el terreno o degradarlo por arrastre de finos, convirtiéndolo en colapsable.
  • El rebajamiento contribuye a aumentar la estabilidad de los taludes y disminuye los empujes sobre las estructuras de contención (entibación, pantallas o tablestacas). El rebajamiento puede utilizarse, incluso, para aumentar la presión efectiva y provocar su consolidación.

Pero también existen algunos inconvenientes con el rebajamiento del nivel freático:

  • Si falla el dispositivo que mantiene el rebajamiento, puede entrar en poco tiempo agua en la excavación, desmoronándose taludes o levantando el fondo.
  • Como el rebajamiento no se realiza en un área muy concreta, en los alrededores se producirá un aumento de las tensiones efectivas, y por tanto, asientos que pueden producir daños en estructuras próximas.

Los métodos apropiados de control del nivel freático dependerán de la naturaleza del suelo y de la profundidad de la excavación. Así, en función de la permeabilidad del terreno, la remoción del agua puede hacerse por gravedad, por aplicación de vacío o por electroósmosis. Así, el agotamiento se utilizará en gravas, pues presentan una elevada permeabilidad, con caudales importantes y terrenos poco erosionables. Una permeabilidad entre 10-1 < k < 10 (m/s) permite el agotamiento desde la misma excavación, si ésta penetra menos de 3 m en el nivel freático. Para mayores permeabilidades o mayores profundidades de excavación, habría que recurrir a otros procedimientos constructivos. En cambio, el rebajamiento será útil en arenas o arenas limosas, con una permeabilidad entre 10-6 < k < 10-1 (m/s). En el caso de arcillas y limos, con permeabilidades entre  10-7 < k < 10-6 (m/s), el rebajamiento suele realizarse por vacío o electroósmosis, pues el caudal es bajo y el cono formado por la depresión del nivel freático se realiza lentamente. Para permeabilidades menores, comprendidas entre 10-9 < k < 10-7 (m/s)  basta con hacer algún agotamiento periódico de la excavación. Para permeabilidades menores a 10-9 (m/s), se puede excavar en seco.

Os dejo un Polimedia explicativo sobre este tema. Espero que os sea de interés.

Como complemento, os dejo también, por su interés, un artículo de Ferrer, Davila y Sahuquillo donde se analiza el proceso de drenaje en obra civil ubicada en zona urbana. Espero que os sea útil.

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REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Contención de agua mediante pantallas de suelo-bentonita

Figura 1. Construcción de una pantalla de suelo-bentonita.  https://www.geo-solutions.com/services/slurry-walls/soil-cement-bentonite/

Las pantallas de suelo-bentonita son barreras muy utilizadas para impedir el paso del agua o para aislar un residuo o zona contaminada del agua subterránea. La construcción de estas trincheras o zanjas de lodo, que usan el suelo-bentonita como material de relleno, se empezaron a utilizar en Estados Unidos en 1945, siendo una técnica mucho más utilizada que en Europa, donde predomina la bentonita-cemento.

Durante la excavación se utiliza bentonita para contener las paredes de la excavación, aunque a veces también se utilizan aditivos. La bentonita se agrega para mantener un nivel constate de lechada cerca de la parte superior de la zanja y asegurar su estabilidad. La zanja presenta una anchura que oscila entre 0,6 y 1,5 m, anchura que se calcula para que el gradiente hidráulico no sea excesivo, normalmente entre 10 y 30. Una vez se alcanza la profundidad deseada, se introduce la mezcla final de suelo y bentonita. El peso específico de la mezcla, entre 12,6 y 13,1 kN/m3, debe ser mayor que el del lodo de la zanja, para poder desplazarla. La experiencia indica que el desplazamiento ocurrirá si el lodo tiene un peso específico 2,4 kN/m3 menor que el del material de relleno.

Si se quiere una mezcla suelo-bentonita de calidad, ésta se debe elaborar en unos tanques de homogeneización, en un estado semifluido, de forma que se tenga la suficiente fluidez para desplazar al lodo de la zanja. Las pendientes de la zanja por las que fluye la mezcla varían entre 1:5 a 1:10 (Figura 2). Estos tanques requieren de un espacio suficiente para su instalación. No obstante, también es posible realizar la mezcla de una forma más grosera con un buldócer en superficie. En este último caso, el material de relleno se prepara regando el suelo con lodo y mezclando y batiendo hasta que la mezcla sea homogénea y alcance la consistencia adecuada. Este material se empuja en la zanja donde el relleno ya colocado aparece en la superficie de la zanja; de esta forma se evita la segregación causada por la caída libre a través del lodo. Se deben tomar medidas cuidadosas en la parte superior del relleno y en la parte inferior de la zanja para asegurar que el frente del relleno no invada la excavación o para que el material excavado no se mezcle con el relleno y como consecuencia queden bolsas sin mezclar.

Figura 2. Construcción de zanja de lodo con suelo-bentonita como material de relleno. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Este procedimiento requiere que el terreno sea relativamente estable para evitar cortes de la pantalla. La ventaja es que se puede trabajar incluso con un nivel freático alto, si bien la bentonita debe permanecer entre 1 y 2 m por encima de dicho nivel para garantizar la estabilidad de la excavación. En casos de que el freático se encuentre más superficial, deberá realizarse una plataforma de trabajo.

Con retroexcavadoras convencionales, se podría llegar a una profundidad de 10 m, pero con brazos largos pueden llegar fácilmente a 25 m, aunque para profundidades mayores se utilizan cucharas bivalvas, hasta profundidades económicas de unos 30 m. En ocasiones también se han utilizado las dragalinas hasta los 25 m. Algo menos habitual es el uso de zanjadoras de brazo inclinado, útiles hasta unos 8 m de profundidad (Figura 3).

Figura 3. Zanjadora en la ejecución de una pantalla de suelo-bentonita. http://www.dewindonepasstrenching.com/slurry-walls-and-cement-bentonite-walls

El método de excavación no tiene tanta importancia como tener la seguridad de que la pantalla se extienda por todo el estrato permeable de forma continua. Por tanto, es importante succionar el sedimento del fondo de la zanja, especialmente si los sedimentos son arena y gravas limpias. Es una buena práctica tratar que la colocación del relleno y la excavación estén lo más cercanas posibles.

Entre las ventajas de las pantallas de suelo-bentonita cabe destacar que es la tipología de barrera más económica, pues en la mayoría de los casos se permite el uso de todo o gran parte del material excavado de la zanja; además, se trata de un procedimiento constructivo bien conocido y utilizado, con altos rendimientos. La permeabilidad de la pantalla suele ser del orden de 10-7 cm/s, pero puede bajar incluso a 5 x 10-9 cm/s. Sin embargo, hay que tener presente que el procedimiento necesita un área para la mezcla y puede generar material que debe llevarse a vertedero; además, la pantalla puede deteriorarse frente a ciclos prolongados de humedad/sequedad o de congelación/descongelación. Son barreras que solo se pueden utilizar en su configuración vertical y a veces resulta complicado conseguir la absoluta impermeabilidad. Por otra parte, la mezcla de suelo-bentonita se puede degradar por contaminantes o por la presencia de ácidos orgánicos e inorgánicos, aumentando la porosidad de la barrera. Además, las sales inorgánicas y algunos compuestos orgánicos pueden provocar la contracción de las partículas de la bentonita.

Os paso un par de vídeos para que podáis ver cómo se realiza este tipo de pantalla impermeable.

Os paso también un artículo donde se explica la construcción de una pantalla de suelo-bentonita de gran profundidad.

Descargar (PDF, 1.18MB)

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Contención del agua mediante ataguías celulares

Figura 1. Ataguía celular para la construcción de isla artificial de conexión puente-túnel del Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge. http://www.americanpiledriving.com/wordpress/2011/12/12/

Las ataguías celulares son estructuras de contención utilizadas con profundidades importantes, formadas por cilindros huecos contiguos, normalmente tablestacas de acero unidas, que soportan los empujes mediante la fricción de su base (Figura 1).

Estos cilindros son relativamente grandes, con diámetros típicos de 12 a 20 m. Se utilizan en la construcción de presas, muelles (Figura 2), pilas de puentes y recintos en general donde debe trabajarse en seco.

Los recintos construidos con ataguías celulares se pueden construir sobre terrenos firmes o de calidad media. Los depósitos de suelos blandos hasta gran profundidad pueden ser inadecuados.

Figura 2. Muelle de recintos de tablestacas. http://www.puertos.es/es-es/BibliotecaV2/ROM%200.5-05.pdf

En el caso de corrientes importantes, por ejemplo en un gran río, es importante conocer el campo de velocidades entorno a la zona donde se colocarán las ataguías celulares. En este caso, la propia ataguía reduce la sección del río y provoca un aumento de la velocidad del agua, con la posible erosión del fondo del cauce, en especial hacia las esquinas, por lo que conviene redondearlas.

Las celdas se rellenan con un material del mayor peso específico posible, normalmente una mezcla de arenas y gravas. En el caso de desmontar las celdas, antes debe extraerse el material de relleno. En cambio, si se rellenan de hormigón quedan como estructuras permanentes, como es el caso de la construcción de diques en obras portuarias.

El ancho medio de una ataguía celular sobre roca oscila entre el 70 y el 80% de la altura del agua exterior que retiene (Figura 3). En el caso de estar sobre suelos arenosos, al igual que ocurre con las ataguías de tablestacas de doble pared, debe tener un espaldón en el interior. Con grandes calados de agua, estas ataguías de doble pared se pueden rellenar de hormigón y sostenerse por puntales, lo cual ahorra un espacio considerable y permiten asegurar una buena impermeabilización con anchos muy pequeños.

Figura 3. Sección de ataguía celular de doble pared de tablestacas

Existen distintas configuraciones de recintos que se construyen con formas circulares de tablestacas planas, creando celdas independientes que después se unen mediante arcos de tablestacas con formas especiales. En la Figura 4a se observan arcos circulares conectados por diafragmas rectos; en la Figura 4b vemos celdas circulares conectadas por arcos circulares; en la Figura 4c vemos la estructura tipo trébol, que consta de grandes celdas circulares subdivididas por diafragmas rectos. Las ataguías de tabiques rectos requieren menos tablestacas que las celdas circulares, aunque el relleno debe hacerse con cuidado para que los tabiques de separación no sufran presiones descompensadas. Con los recintos circulares, se pueden rellenar las celdas de forma independiente. Con los recintos de diafragmas, han de hacerse los rellenos simultáneamente, utilizándose un mayor número de tablestacas. Su posible ventaja radica en menores esfuerzos en la tablestaca para un mismo calado.

Figura 4. Configuraciones de ataguías celulares

Las ataguías celulares se deben diseñar para ofrecer seguridad estructural en distintos aspectos:

  • Se debe evitar el vuelco y su puesta fuera de alineación
  • Debe estar al abrigo del deslizamiento
  • Debe presentar seguridad a la rotura por cortante en el relleno interior de la célula
  • Las juntas no deben romperse, teniendo en cuenta la corrosión
  • Las almas de las tablestacas deben presentar un factor de seguridad razonable frente a la rotura
  • No deben haber distorsiones ni deformaciones fuera de límites aceptables

La ventaja de construir las ataguías celulares con tablestacas es que precisan poco andamiaje, bastando unas guías superiores e inferiores para hacer descenderlas (Figura 5). Se pueden construir desde tierra, de forma que cada célula terminada sirve de plataforma de trabajo para hincar en la siguiente (Figura 6). Sobre lechos rocosos irregulares, las longitudes de las tablestacas se adaptan al perfil de la roca. Sobre suelos arenosos o de grava, se dispone de un banco de tierra interior (Figura 3) para conseguir que la longitud de la filtración sea suficiente para evitar el colapso por surgencia.

Figura 5. Ataguía celular para dique de Carena. https://www.soletanche-bachy.com/es

 

Figura 6. Ataguía celular para dique de Carena. https://www.soletanche-bachy.com/es

Uno de los mayores riesgos de colapso de las ataguías celulares es el fallo de cualquier unión. Por eso no se aconseja usar estas ataguías sobre terrenos con cantos u otros obstáculos que puedan abrir las tablestacas o la ruptura de las uniones.

A continuación os dejo algunos vídeos sobre el uso de las ataguías celulares. Espero que os sean de interés.

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • PUERTOS DEL ESTADO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias ROM 0.5-05. Ministerio de Fomento, Madrid, 537 pp.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Contención de agua mediante pantallas de geomembranas

Figura 1. Instalación de geomembrana. https://cofra.com/solutions/barriers/geolock.html

Una pantalla de geomembrana (geomembrane cutoff wall) constituye un procedimiento de contención de agua que utiliza como material de barrera el polietileno de alta densidad (PEAD). Se trata de una técnica de contención de aguas y terrenos contaminados que se ha utilizado desde la década de 1980. Su desarrollo se debió a la preocupación por la integridad de las pantallas de lodo, de forma que las geomembranas complementan y garantizan la seguridad de la impermeabilización.

La geomembrana se inserta verticalmente mediante zanjas verticales u otros métodos que llegan hasta terreno impermeable (Figura 1). Asimismo, se inyectan materiales de relleno para sellar la parte inferior de la geomembrana para que se adhiera a la capa impermeable. A ambos lados de la geomembrana se rellena con una mezcla de suelo-bentonita de baja permeabilidad, o bien con mezclas de bentonita-cemento para impedir el paso del agua o de materiales contaminantes (Figura 2).

El PEAD (k ≤ 1.0 × 10−12 cm/s) mejora el desempeño frente a las zanjas de lodo tradicionales al diminuir la permeabilidad de la barrera hasta en dos órdenes de magnitud y al mejorar la resistencia química de la barrera. Además, existen juntas hidrófilas que se expanden al entrar en contacto con el agua y permiten cerrar de forma estanca las juntas de la geomembrana. Es actualmente el procedimiento de contención más seguro y eficaz para evitar el transporte de masas de agua contaminadas en el subsuelo. Sin embargo, como inconvenientes hay que citar que es difícil asegurar bien la calidad de la instalación y que no es la geomembrana lo suficientemente rígida como para clavarse directamente, tal y como sería el caso de las tablestacas.

Figura 2. Esquema de contención de zona contaminada mediante pantallas de geomembranas

Antes de instalar la barrera de geomembrana, se deben investigar las condiciones geotécnicas e hidrogeológicas del terreno en detalle, incluyendo los estratos, la naturaleza del suelo, la dirección del flujo del agua, la naturaleza y profundidad del acuífero, la topografía y la estabilidad del terreno. La pantalla debe estar empotrada en la capa impermeable, como mínimo, en un metro.

Existen distintos procedimientos constructivos para instalar una pantalla de geomembrana, siendo habitual construir una zanja de lodos para luego insertar los paneles de geomembrana a la profundidad deseada. Se puede utilizar un bastidor de acero (Figura 3), un rodillo mecánico (Figura 4) u otros métodos (Figura 5).

Figura 3. Instalación de panel de geomembrana mediante bastidor. https://www.skanska.co.uk/expertise/construction/piling-and-foundations/foundation-techniques/slurry-walls/
Figura 4. Instalación de geomembrana mediante un rodillo (Quian et al., 2018). https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-2224-2_41
Figura 5. Instalación de geomembrana mediante rollo dentro de la zanja de lodos. https://www.geosyntec.com/projects/item/667-suspended-geomembrane-cutoff-wall

Se recomienda un especial cuidado con las juntas de conexión cuando se trata de paneles de geomembranas. Se recomiendan paneles entrelazados con juntas, que se encuentran presoldadas a las láminas, para minimizar las soldaduras in situ. Estas juntas se pueden sellar con un cordón de caucho hidrófilo que se introduce en la junta durante la instalación y que luego se hincha en contacto con el agua (Figura 6).

Figura 6. Instalación de la junta del panel con una cuerda de goma hidrófila (Quian et al., 2018).  https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-2224-2_41

A continuación os dejo un vídeo ilustrativo sobre la instalación de estas pantallas de geomembranas.

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • QIAN X. et al. (2019) Applications of Geomembrane Cutoff Walls in Remediation of Contaminated Sites. In: Zhan L., Chen Y., Bouazza A. (eds) Proceedings of the 8th International Congress on Environmental Geotechnics Volume 2. ICEG 2018. Environmental Science and Engineering. Springer, Singapore
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Contención de agua mediante pantallas plásticas de bentonita-cemento

Figura 1. Cuchara bivalva para ejecución de pantalla plástica. https://www.archiexpo.es/prod/franki-foundations-belgium/product-61404-1536843.html

Las pantallas impermeables de bentonita-cemento, también llamadas pantallas blandas, plásticas o de lodo autoendurecible, constituyen barreras al paso del agua subterránea de construcción construcción similar a la de los muros pantalla (Figura 1). Este tipo de muros de estanqueidad se empezaron a utilizar en los años 60, en la mayoría de las ocasiones con un hormigón de bentonita-cemento como relleno de la pantalla, mientras que en España la primera realización data de 1974 (Cañizo et al., 1976). Su función es impermeabilizante, sin responsabilidad estructural, pues no deben resistir esfuerzos de flexión apreciables; por tanto son útiles cuando se trata de impedir el paso del agua pero no se va a realizar una excavación o vaciado anexo.

Se trata de abrir una zanja profunda y estrecha utilizando los procedimientos habituales de los muros pantalla, pero utilizando como fluido de perforación para contener las paredes un lodo de bentonita-cemento, en lugar de simplemente la bentonita. Son pantallas de un espesor entre 0,50 y 1,20 m, con profundidades que pueden llegar a 50 m, pero que son rentables hasta unos 25-30 m. Este procedimiento es más habitual en Europa que en Estados Unidos, donde suele utilizarse las mezclas de suelo y bentonita.

Otra forma de ejecutar este tipo de pantallas es mediante retroexcavadoras con brazos largos, que son efectivas hasta 15-20 m, aunque con brazos especialmente largos puede llegarse a 25-30 m. En otros casos, también se podrían utilizar zanjadoras de brazo inclinable.

Figura 2. Excavación con retroexcavadora para pantalla de bentonita-cemento. https://www.keller.co.uk/expertise/techniques/slurry-cut-walls

La resistencia y la permeabilidad de una pantalla de bentonita-cemento dependen de la dosificación (relación agua/cemento) y del tipo de cemento utilizado. Se trata de mezclar bentonita en la cantidad suficiente para evitar que el cemento decante antes del fraguado. Por cada metro cúbico de mezcla, la dosificación habitual es de 100 a 950 litros de agua, 20 a 80 kg de bentonita, 100 a 400 kg de cemento y de 0 a 5 kg de aditivos. En general se obtienen mayores resistencias con cementos de alto-horno o puzolánico que con cemento portland. Se pueden alcanzar con las mezclas de bentonita-cemento resistencias de 0,10 a 0,30 MPa. Esta mezcla de bentonita y cemento fragua lentamente.

En obra se necesita una planta que mezcle y dosifique el agua, la bentonita y el cemento. Transcurrido el tiempo de mezclado en planta, se manda el material al tajo. Este sistema difiere del tradicional, que deja hidratar previamente la bentonita de 12 a 24 horas; de esta forma, aunque se necesario utilizar algo más de bentonita, nos evitamos montar una planta de gran volumen, con depósitos de almacenaje de bentonita en maduración.

Durante el proceso constructivo es importante garantizar que entre paneles no existen juntas. Si la perforación de dos paneles contiguos es inmediata, se puede ejecutar una pantalla continua, sin juntas; si se retrasa la perforación, se muerde el extremo, aún en estado pastoso para que se adhiera el nuevo lodo y no se forme junta. Se pueden obtener rendimientos típicos de 100 a 150 m2/día.

Figura 3. Ejecución pantalla plástica de bentonita-cemento. https://www.terratest.com/pdf/catalogos/brochure-diaphragm-walls-spain.pdf

La ventaja de estas pantallas, aparte de la impermeabilidad y ausencia de juntas, es su adaptación a grandes deformaciones que pueda provocar el cambio del nivel freático. Además, el coste es relativamente económico debido al consumo reducido de materiales, a la mecanización de las operaciones y a la simplificación de la construcción. Son competitivas frente a otros sistemas como las tablestacas o las pantallas perforadas con hormigón bituminoso. Frente a otros sistemas de coste similar como pantallas de hormigón de arcilla o de suelo mejorado, las pantallas de bentonita-cemento son de mayor calidad, puesto que las anteriores son difíciles de compactar y por la existencia de juntas. Sin embargo, no son viables si se debe excavar en roca o si se debe levantar la pantalla como núcleo de arcilla de forma simultánea a los espaldones de presas de materiales sueltos.

Os dejo un vídeo para que veáis el procedimiento constructivo análogo a la construcción de un muro pantalla.

 

A continuación os dejo un ejemplo de Geocisa de aplicación de pantallas continuas de cemento-bentonita que han servido para mejorar las condiciones de seguridad y la corrección de filtraciones de la presa Hornotejero, en Cordobilla de Lácara (Badajoz).

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REFERENCIAS:

  • CAÑIZO, L.; ERASO, A.; AGUADO, J. (1976). La bentonita-cemento y sus aplicaciones. Revista de Obras Públicas, 123(3130):67-76.
  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Contención de aguas mediante ataguías

Figura 1. Ataguía, Montgomery Point Lock and Dam (Estados Unidos). https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dam_Coffer.jpg

Una ataguía (cofferdam) es una estructura, generalmente provisional, destinada contener el terreno e impedir, reducir o desviar la entrada de agua en una excavación. Se trata de construir un recinto estanco y seco temporal muy empleado, por ejemplo, en la ejecución de pilas de puentes, muelles, presas, y en cualquier otro lugar donde se quiera trabajar en seco.

Son obras que reciben el empuje de las tierras, el hidrostático y las fuerzas dinámicas debidas a corrientes u oleaje, en su caso, y que deben satisfacer los requisitos de estabilidad, impermeabilidad y estanqueidad. Por tanto, resulta inútil emplear ataguías sobre terrenos muy permeables, pues de nada serviría la impermeabilidad de las paredes si por el fondo se filtran caudales imposibles de agotar. En estos casos, sería necesario un dragado previo hasta alcanzar el sustrato impermeable.

Además, si la ataguía se utiliza en obras fluviales, hay que considerar los problemas hidráulicos como la erosión del lecho de la corriente y el desbordamiento. No en balde, si la ataguía empieza a tener dimensiones importantes debe diseñarse y construirse con todas las garantías exigibles a una presa, aunque sea provisional.

El trazado de la ataguía con frecuencia termina formando un recinto cerrado, caso muy habitual en el caso de la construcción de cimientos de puentes en los ríos. Sin embargo, pueden ser construcciones no cerradas, como es el caso de derivación de un río para construir una presa. En este caso de ataguías abiertas, no tiene sentido que su altura supere un nivel superior al de las orillas, aunque sí quedar por encima de la crecida ordinaria del río. La altura debe quedar por encima de las pleamares en obras marítimas.

La construcción de estos recintos estancos es compleja, pues se debe colocar en medio del cauce de un río o en el mar, en condiciones ambientales a veces muy duras. Es por ello difícil mantener las tolerancias constructivas, desviándose las dimensiones previstas en proyecto. Además, hay que tener presente que, en caso de desmontaje, se deben considerar los esfuerzos sobre la obra construida. Es por ello que muchas veces los recintos se quedan de forma permanente, por ejemplo en el caso de la construcción del cimiento de un puente.

Figura 2. Ataguía de tablestacas para la construcción de la cimentación de un puente. https://www.flickr.com/photos/vtrans/19114472205

Una ataguía de interés es la construida para el desvío y cierre del cauce de un río para la construcción de una presa. Realmente son presas cuya vida útil es muy reducida (de 1 a 4 años, según los casos), con fugas de agua o filtraciones admitidas mayores que las presas definitivas y con materiales empleados que, dada la cortedad de su vida útil, pueden ser de menor calidad. Es frecuente también colocar una contraataguía aguas abajo de la presa para contener la lámina de agua que pudiera llegarse a formar agua abajo, a la salida del túnel de desvío; aunque podría no ser necesaria cuando la pendiente del cauce es suficiente para que el agua siga con una cota máxima de lámina inferior al nivel del cauce en el lugar de trabajo.

Sea cual sea el tipo de ataguía a utilizar, resulta muy importante realizar un cálculo del gradiente hidráulico que se forma por la líneas de filtración del agua por el material permeable. Si el gradiente hidráulico, es decir, el caudal de agua dividido por la longitud de la línea de filtración excede a la unidad, se puede producir inestabilidad y el efecto de “arenas movedizas” del sifonamiento. Estas filtraciones se deben recoger en un sumidero para ser bombeadas al exterior del recinto excavado. El bombeo previsto para agotar el agua del recinto debe ser muy superiores a los previstos, pues son frecuentes las averías de las bombas, así como entradas de agua imprevistas.

La correcta elección del tipo adecuado de ataguía depende de aspectos tales como de la profundidad del agua, profundidad y tamaño de la excavación, tipo de terreno, velocidad de la corriente de agua, existencia de mareas o de elementos flotantes, condiciones locales y los medios que puedan utilizarse en función de la importancia de la obra a proteger. Galabrú (2004) clasifica las ataguías en los siguientes tipos: ataguías de tierra, ataguías mixtas de tierra y tablestacas, ataguías de escollera y gaviones, ataguías de tablestacas metálicas (cortinas simples, recintos y células autoestables), ataguías de hormigón (gravedad o bóveda, paredes moldeadas en el suelo e inyecciones, pantallas de pilotes y cajones hincados con aire comprimido o sin él), ataguías por congelación de suelos y casos especiales (sobres suelo rocoso o en cursos de aguas con corriente intensa).

Es más, los procedimientos de construcción de cimentaciones mediante cajones indios o mediante cajones de aire comprimido podrían considerarse, en cierto modo, como ataguías, puesto que serían sistemas que permiten trabajar en seco; aunque en estos casos el medio auxiliar no es provisional, sino que queda formando parte de la cimentación, tal y como pasa en el caso de los puentes cimentados bajo el agua.

Los romanos ya empleaban las ataguías para la construcción de la cimentación de los puentes, tal y como podemos ver en este pequeño vídeo de Structuralia:

Aquí tenéis una animación de cómo se construyó el Puente de Carlos, en Praga, puente que se terminó en 1402. Fijarse bien en cómo se ejecutaba la ataguía con una doble pared de tablestacas de madera rellenas de tierra.

Os dejo algún vídeo explicativo sobre ataguías y recintos cerrados (cofferdams).

Recientemente se han utilizado ataguías que se llenan, se despliegan y se estabilizan de forma rápida, tal y como se puede observar en los siguientes vídeos:

REFERENCIAS:

  • GALABRÚ, P. (2004). Cimentaciones y túneles. Tratado de procedimientos generales de construcción. Editorial Reverte, Barcelona.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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¿Cómo evitar que nuestros muros deslicen?

Figura 1. Fuerzas que actúan sobre un muro.

En un artículo anterior ya se comentó cómo el terreno empuja sobre cualquier estructura que lo contenga, y que la magnitud de dicho empuje se ve muy influenciada por el tipo de deformación sufrida por dicha estructura de contención, como puede ser un muro.

Lo inmediato es preguntar quién va a ser el responsable de contrarrestar dicho empuje para garantizar que el muro no deslice. No se trata de una cuestión menor, puesto que la seguridad al deslizamiento constituye uno de los estados límite últimos a comprobar cuando se diseña un muro. Es más, el deslizamiento acostumbra a ser el caso más crítico si el muro no es demasiado alto o en muros ménsula sin talón. Si a eso añadimos un mal drenaje en el trasdós cuando el muro no se ha calculado considerando los empujes hidrostáticos, tendremos asegurado un problema mayor.

Lo primero que se nos ocurre es pensar que el rozamiento entre el cimiento del muro y el terreno sobre el que se apoya debería ser suficiente para evitar el deslizamiento. De hecho, la fricción o fuerza de rozamiento que se opone al inicio del deslizamiento en un plano es proporcional a la fuerza normal a dicho plano, a través del conocido como coeficiente de rozamiento estático. Este coeficiente se puede calcular como la tangente del plano inclinado crítico, que es aquel donde un cuerpo empieza a deslizarse. Dicho coeficiente es mayor al coeficiente de rozamiento dinámico, que se desarrolla una vez el deslizamiento se ha iniciado.

El caso del deslizamiento de un muro respecto al terreno es un caso parecido al de la rotura del suelo, pero teniendo en cuenta que las superficies en contacto son las del cimiento del muro y la del terreno sobre el que se apoya. Por tanto, se puede aplicar el criterio de rotura de Mohr-Coulomb, de forma que la tensión tangencial de rotura τse encuentra relacionada con la tensión normal σ’ en el plano de contacto muro-terreno:

De forma análoga, se podría sustituir la cohesión entre partículas c‘ por un coeficiente de adherencia o cohesión de contacto cc. Del mismo modo, se sustituiría el ángulo de rozamiento efectivo Φ‘  por el rozamiento muro-terreno Φc (siempre Φc <Φ‘ ).   En este caso, siendo A el área de contacto de la fuerza normal con la superficie de deslizamiento, se puede expresar que la fuerza horizontal T en el plano de contacto muro-terreno sería:

En la expresión anterior téngase en cuenta que la fuerza normal sobre la resultante N‘ es la diferencia entre la suma de las fuerzas verticales W y la subpresión ejercida por el agua Fw , en su caso (ver Figura 1).

La fuerza horizontal T que se opone al deslizamiento es máxima en el instante mismo del deslizamiento. Si B‘ es el ancho eficaz de la zapata del muro en contacto con el terreno (no se tiene en cuenta la parte de la zapata “despegada” del terreno, ver Figura 2), la fuerza horizontal máxima Tmáx que se opondrá al deslizamiento por metro lineal de muro sería la siguiente:

Figura 2. Ancho eficaz B‘ de la zapata.

Si esta fuerza horizontal máxima  Tmáx no fuese suficiente para equilibrar las fuerzas horizontales sobre el muro (E’aE1,w ), entonces se tendría que recurrir a una resistencia adicional R que puede proceder de la movilización de una parte del empuje pasivo que actúa sobre la puntera de la zapata del muro E’pun  , del posible empuje hidrostático sobre la puntera E2,w o bien de posibles fuerzas exteriores al sistema muro-terreno. Se recomienda que R ≤ 0,10·H , siendo H la fuerza horizontal.

Además, en el caso de tenerse en cuenta el empuje pasivo efectivo sobre la puntera (o bien sobre una zarpa o tacón de la zapata, para incrementar dicho empuje pasivo, ver Figura 3) hay que garantizar que se moviliza la deformación suficiente y que su valor se debe minorar por un coeficiente de 1,5, que sería E’p admisible. Por otra parte, si se tiene en cuenta dicho empuje pasivo , se debería garantizar la permanencia del terreno sobre la zapata. Está del lado de la seguridad no considerar el empuje pasivo.

Figura 3. Aumento del empuje pasivo debido al tacón en la zapata del muro.

Todo lo anterior nos hace reflexionar sobre la importancia de definir en el proyecto del muro los parámetros resistentes del contacto muro-terreno. Dependiendo de la forma de preparación del contacto, se pueden considerar los siguientes:

  • Muros de hormigón ejecutados “in situ” contra el terreno   →   tan Φc = 0,8·tan Φ‘   y  cc = c
  • Muros de hormigón prefabricado sobre materiales granulares  →   tan Φc = 0,6  y  cc = 0
  • Muros sobre suelos arcillosos saturados: Hay que comprobar la situación de corto plazo  →   Φu = 0  y   cu = 0,5 · Ru  (siendo Ru la resistencia a compresión simple sin drenaje)            

A falta de otros datos, se adopta como ángulo de rozamiento muro-terreno un valor de 2/3 del ángulo de rozamiento efectivo del terreno, es decir, Φc = 2/3 · Φ‘ . Es decir, siempre será el ángulo de rozamiento muro-terreno inferior al ángulo de rozamiento efectivo del terreno.

Por último, tendríamos que asignar un coeficiente de seguridad al deslizamiento Fd, como el cociente entre la máxima oposición que puede encontrar el muro al deslizamiento (Tmáx +E’p admisible) entre la fuerza estrictamente necesaria para evitarlo ( Tnec ). La fuerza estrictamente necesaria para evitar el deslizamiento debe ser la suma de fuerzas horizontales sobre el muro, incluido el empuje activo del terreno y posible la presión hidrostática sobre el trasdós del muro.

En combinación de acciones casi permanente, la “Guía de cimentaciones en obras de carretera” (Ministerio de Fomento, 2003), establece un coeficiente de seguridad frente al deslizamiento mínimo de 1,50.

REFERENCIAS:

  • IZQUIERDO, F.A. (2001). Cuestiones de geotecnia y cimientos. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 227 pp.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Empujes sobre entibaciones según Terzaghi y Peck

Figura 1. Entibación en excavación de zanja. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sbh_s600.JPG

Ya se habló en un artículo anterior de la altura crítica, que si se sobrepasa, obliga a entibar una excavación. Este es un aspecto de gran importancia en la seguridad de las personas. Para ello resulta fundamental el cálculo de los empujes del terreno sobre la entibación para dimensionar correctamente los elementos constitutivos de esta estructura auxiliar.

La deformación que se desarrolla en el terreno al ir entibando una excavación, poniendo puntales de arriba hacia abajo, es diferente a la que desarrollan la condición de empuje activo en los muros. Este hecho provoca que la distribución real de los empujes sobre una entibación sea diferente a la clásica ley triangular que aparecen en los muros. Esto se debe, entre otros motivos, a que la entibación va a girar respecto a un punto situado en la parte superior (primer apuntalamiento), frente al típico muro en ménsula, donde el giro se realiza, aproximadamente, en la base de la estructura.

En la Figura 2 podemos ver que los empujes reales no crecen proporcionalmente con la profundidad y que, en el fondo de la excavación, acaban anulándose. Por tanto, la parte superior, que se apuntala desde el primer momento, recibe unos empujes superiores a los de la ley triangular, y en la parte inferior, son menores. La ley de empujes, por tanto, se aproxima a una parábola.

Figura 2. Empujes reales de forma parabólica sobre entibaciones

Terzaghi y Peck (1967) propusieron algunos esquemas simplificados útiles para determinados suelos típicos. Son los denominados “diagramas de presión aparente“, deducidos a partir de medidas realizadas en diferentes obras a mediados del siglo XX (Berlín, Múnich, Chicago, Nueva York y Oslo) en entibaciones apuntadas, no ancladas, de más de 6 m de profundidad.  No se trata realmente de unos diagramas de empujes únicos, sino de las envolventes empíricas de los distintos diagramas reales que se observan en una fase de excavación y que pueden ser bastante complicados (secuencia de construcción, temperatura, acomodo entre pantalla y apoyos, etc.).

Teniendo en cuanto los valores a, b y c de la Figura 3, se pueden estimar la ley de empujes en función de la Tabla 1 (Izquierdo, 2001). Hay que tener presente que estos empujes, sacados de mediciones realmente tomadas en obra, son aplicables a los empujes sobre entibaciones, por lo que no es de aplicación directa a superficies continuas y mucho más rígidas como los muros pantalla.

Figura 3. Distribuciones propuestas para empuje sobre entibaciones

 

Tabla 1. Procedimiento empírico de Terzaghi y Peck (1967) para determinar las cargas sobre los puntales en una excavación entibada (Izquierdo, 2001)

En la Tabla 1, Ka es el coeficiente de empuje activo, cu la cohesión del terreno sin drenaje y γ su peso específico.

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
  • GONZÁLEZ CABALLERO, M. (2001). El terreno. Edicions UPC, Barcelona, 309 pp.
  • IZQUIERDO, F.A. (2001). Cuestiones de geotecnia y cimientos. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 227 pp.
  • LAMBE, T.W.; WHITMAN, R.V. (1996). Mecánica de suelos. Limusa, México, D.F., 582 pp.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
  • MINISTERIO DE LA VIVIENDA (2006). Código Técnico de la Edificación
  • TERZAGHI, K.; PECK, R. (1967). Soil Mechanics in Engineering Practice. 2nd Edition, John Wiley, New York.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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Empuje de tierras, ¿mejor Coulomb o Rankine?

Figura 1. Coulomb y Rankine, autores de dos de los modelos clásicos de empuje de tierras.

El empuje de tierras sobre estructuras de contención ha sido un problema clásico en Geotecnia, pero que es complejo, pues existen numerosas incertidumbres asociadas al comportamiento de los distintos tipos de terreno. Tanto la dificultad en la determinación de las características mecánicas del terreno real como la complejidad en las hipótesis de cálculo han llevado a la utilización de simplificaciones útiles en una gran mayoría de casos. Las dos teorías clásicas en la estimación de los empujes del terreno se deben al francés Charles-Agustin de Coulomb (1736-1806) y al escocés William John Macquorn Rankine (1820-1872). Ambos métodos se sustentan en hipótesis diferentes y los resultados que proporcionan no coinciden, salvo en algún caso muy particular.

En cualquier libro de Geotecnia se puede comprobar cómo integrando las ecuaciones diferenciales de las condiciones de equilibrio interno de un elemento diferencial de un terreno horizontal, homogéneo, isótropo y con un comportamiento elástico, la tensión horizontal depende de la vertical. En el caso de que el terreno estuviera confinado lateralmente, con deformación lateral nula, la ley de Hooke proporciona una solución al problema, siendo la relación entre la tensión horizontal y la vertical constante. En cualquier caso, la condición de utilizar una ley de esfuerzo-deformación conveniente constituye el mayor obstáculo para obtener una solución exacta al problema.

Las presiones que soporta un muro o una pantalla reciben el nombre de empujes, que en el caso más general, será la suma del empuje hidrostático más el empuje efectivo ejercido por las partículas del terreno. Se define el coeficiente de empuje como la relación entre la tensión efectiva horizontal y la vertical, y en el caso de que no exista deformación lateral, se denomina coeficiente de empuje al reposo, K0. De esta forma se podría calcular el empuje sobre un muro que no se deformara lo más mínimo. Sería el caso de un muro de sótano en edificación. Pero los muros no son infinitamente rígidos, se deforman, y dependiendo de si la deformación lateral es negativa (el terreno “se descomprime”) o positiva (el terreno “se comprime”), tendríamos los denominados empujes activos Ka, o pasivos Kp, (Ka<K0<Kp). Para movilizar el empuje pasivo son necesarios movimientos del muro contra el terreno muy superiores a los necesarios para llegar a una situación de empuje activo. Cuando el empuje pasivo es favorable, debido a la imprecisión en la determinación de su valor real, por seguridad suele despreciarse su efecto o bien se aplica un coeficiente reductor (por ejemplo, de 1,5). Dejamos al lector investigar sobre este asunto en la literatura habitual.

Figura 2. Relación entre empuje del terreno y los movimientos necesarios para su desarrollo (Código Técnico de Edificación)

Lo que nos interesa en esta entrada es conocer las diferencias entre el método de Coulomb y el de Rankine e intentar interpretar cuándo sería mejor utilizar uno u otro método. Las fórmulas se pueden deducir de cualquier libro o manual de geotecnia. En ambos casos se puede generalizar la formulación al caso de terrenos cohesivos, presencia de nivel freático, cargas uniformes sobre el trasdós e inclinación del relleno tras el muro.  Siendo σv es la tensión efectiva vertical y c‘ la cohesión efectiva del terreno o relleno del trasdós, el empuje activo Pa se define como la resultante de los empujes unitarios σa que puede determinarse mediante la siguiente fórmula:

y de forma análoga, el empuje pasivo Pp  se define como la resultante de los empujes unitarios σp que puede determinarse mediante:

La cohesión es un aspecto favorable para disminuir el empuje del terreno, pero si al final no se acaba desarrollando, nos deja del lado de la inseguridad; por tanto, como a veces es difícil estimar su efecto de forma adecuada, es habitual despreciarla para quedar del lado de la seguridad. Por tanto, se aconseja ser muy cuidadoso a la hora de considerar la cohesión.

  • Coulomb propuso un modelo para estimar los empujes del terreno planteando el equilibrio de una masa de terreno en forma de cuña al deformarse o moverse el muro. La rotura se produce a lo largo de dos planos, el formado por el interface suelo-muro y el plano de deslizamiento en el terreno. La cuña, formada por los dos planos, se comporta como un bloque rígido. De todas las cuñas posibles, una es la que produce el empuje activo máximo, y ese es el problema resuelto por este ingeniero francés en 1776. El método supone que las superficies de deslizamiento son planas, pero esta hipótesis es muy discutible en el caso del empuje pasivo. El problema queda resuelto para un muro cualquiera, con un trasdós que no necesita ser vertical, y un terreno con una determinada inclinación y con unas cargas sobre su superficie. Se supone conocido el peso específico del terreno, el ángulo de rozamiento interno y el ángulo de rozamiento muro-suelo. Es actualmente el método más empleado para el diseño de muros por métodos de equilibrio límite. Hoy día se emplea con gran efectividad en el cálculo de muros de gravedad, lo que permite considerables ahorros de material. Las fórmulas que siguen indican los coeficientes de empuje activo y pasivo, con las figuras que definen cada uno de los ángulos correspondientes:

  • El método de Rankine (1857) es más elegante desde el punto de vista matemático, explicando el empuje en términos de rotura por cortante del terreno. Se obtienen los empujes partiendo de un semiespacio infinito que se encuentra en “estado de Rankine“, es decir, un estado de equilibrio plástico y en donde el muro no produce ninguna perturbación. Se supone que el terreno es homogéneo e isótropo y en estado de equilibrio plástico, es decir, se acepta que toda la masa en el trasdós del muro está en situación de rotura y, por tanto, en cualquier punto el estado tensional pertenece a un círculo de Morh que es tangente a la línea de rotura de este suelo; además, como hipótesis adicional, no hay variación de tensiones en los puntos de cualquier plano paralelo a la superficie del semiespacio. Este modelo puede resultar un tanto conservador, pues solo considera el ángulo de rozamiento interno del terreno, olvidando el efecto favorable del rozamiento entre el muro y el terreno. Este método tiene muchas aplicaciones prácticas, por ejemplo, en muros ménsula, donde la suposición de Rankine no supone grandes desventajas y simplifica enormemente los cálculos. El cálculo de empujes sobre un muro con el modelo de Rankine se reduce a obtener las presiones efectivas a la profundidad correspondientes y aplicar las fórmulas correspondientes. De esta forma es muy sencillo calcular terrenos estratificados y considerar la existencia de una carga uniforme en coronación. Además, el método permite estimar si existen grietas de tracción y su profundidad en un terreno que sea cohesivo.  Los coeficientes de empuje activo y pasivo para un terreno que forma un ángulo i con la horizontal  teniendo en cuenta que la resultante forma un ángulo i con la horizontal, son los siguientes:

Aplicando el teorema de los estados correspondientes de Caquot, se puede generalizar la teoría de Rankine a suelos cohesivos: “Si a un suelo con cohesión que está en situación límite de rotura, simultáneamente le quitamos la cohesión y sumamos a todas las tensiones un término (c’ · cotg Φ’), el suelo sigue estando en la misma situación límite de rotura” (y se le aplican las hipótesis de los suelos sin cohesión).

Figura 3. Círculo de Mohr considerando suelos cohesivos

De las fórmulas deducidas para el empuje activo y pasivo, las fórmulas en ambos modelos coinciden únicamente en el caso de un trasdós vertical del muro, no hay rozamiento suelo-estructura y la superficie del terreno es horizontal. En este caso, los coeficientes de empuje activo y pasivo son los siguientes:

Resumiendo los aspectos básicos expuestos anteriormente, podríamos decir lo siguiente:

  • En caso de terrenos estratificados, la inclinación del plano de deslizamiento depende de cada terreno, con lo que el problema puede ser indeterminado si utilizamos el modelo de Coulomb. En este caso, Rankine es de más fácil formulación, que suele ser recomendable en el caso de muros ménsula.
  • El método de Coulomb no tiene en cuenta la presencia de grietas de tracción, por lo que con terrenos cohesivos el cálculo de la profundidad de estas grietas se debe hacer con Rankine.
  • Si no existe cohesión en el terreno ni adherencia entre muro y terreno, con la teoría de Coulomb se puede determinar que la resultante del empuje activo está situada, desde la base del muro, a un tercio de la altura del muro. Si no es así, entonces el método no proporciona directamente la posición del empuje.
  • El método de Rankine es difícil de aplicar con geometrías mínimamente complejas (trasdós quebrado, superficies del terreno en el trasdós no planas, cargar arbitrarias sobre éste último) y no es mucho más preciso que el método de Coulomb para estos casos.
  • El método de Coulomb no estima bien el empuje pasivo, pues la superficie real de rotura no es plana (se asemeja a una espiral logarítmica) y la distribución de empujes difiere bastante de la triangular, proporcionando valores sobredimensionados (del lado de la inseguridad). El método de Rankine es más conservador para el cálculo de empujes pasivos.
  • El método de Rankine no considera el rozamiento entre el muro y el terreno, lo cual es conservador. Es un aspecto importante en muros de gravedad, cuyos empujes activos se prefieren calcular con Coulomb.
  • En el método de Coulomb permite la consideración de sobrecargas en el trasdós de cualquier tipo (constante, puntual, triangular, etc.) siempre que sean indefinidas en el sentido longitudinal del muro, pues basta introducirlas en las ecuaciones de equilibrio. Con Rankine es sencillo si se trata de una sobrecarga constante.

 

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
  • GONZÁLEZ CABALLERO, M. (2001). El terreno. Edicions UPC, Barcelona, 309 pp.
  • IZQUIERDO, F.A. (2001). Cuestiones de geotecnia y cimientos. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 227 pp.
  • LAMBE, T.W.; WHITMAN, R.V. (1996). Mecánica de suelos. Limusa, México, D.F., 582 pp.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
  • MINISTERIO DE LA VIVIENDA (2006). Código Técnico de la Edificación
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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