Sostenimiento de un túnel según el índice Q de Barton

Los sistemas de clasificación del macizo rocoso se basan fundamentalmente en un enfoque empírico y se desarrollaron como una herramienta de diseño sistemática en la ingeniería civil y minera. Tratan de ordenar y sistematizar los procedimientos de las investigaciones en campo. La mayoría de estos sistemas clasifican las condiciones geomecánicas en varios grupos diferentes que representan diferentes capacidades portantes de la roca. Sin embargo, no deberían ser utilizadas como sustitutos de los estudios analíticos, las observaciones y mediciones en campo o aportaciones de expertos, sino en conjunción con otras técnicas. La clasificación Q de Barton es una de las clasificaciones geomecánicas más empleadas en los macizos rocosos, junto con la clasificación RMR de Bieniawski.

La clasificación Q fue desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974 a partir de un estudio empírico de un gran número de túneles. Esta clasificación permite estimar parámetros geotécnicos del macizo y diseñar sostenimientos para túneles y cavernas subterráneas. El índice Q se basa en seis parámetros que indican el tamaño de los bloques, la resistencia a corte entre los bloques y la influencia del estado tensional:

Donde:

RQD       Índice de calidad de la roca (Rock Quality Designation)

Jn            Índice de diaclasado, que indica el grado de fracturación del macizo rocoso

Ja            Índice que indica la alteración de las discontinuidades

Jw            Coeficiente reductor por la presencia de agua

SRF        Coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado tensional del macizo rocoso (Stress Reduction Factor)

El índice Q varía entre 0,001 y 1.000, correspondiendo los valores bajos a rocas malas y los altos a las rocas buenas.

Una de las aplicaciones que tiene este índice es que permite establecer qué tipo de sostenimiento debería tener un túnel excavado en un macizo rocoso. A continuación os dejo un problema resuelto que, espero, os sea de interés. Un problema similar lo resolvimos en un artículo anterior, en particular el que calculaba la longitud de avance sin sostenimiento de un túnel.

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También os dejo un documento que creo que os puede resultar de muchísimo interés:

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Referencias:

BARTON, N.; GRIMSTAD, E. (2000). (C.L. Jimeno et al.) El sistema Q en el método Noruega de excavación de túneles. Ingeo Tuneles, Madrid.

BARTON, N.; LIEN, R.; LUNDE, J. (1974). Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, Springer Verlag, vol. 6, pp. 189-236.

BIENIAWSKI, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineering. Wiley-Interscience, pp. 40–47.

GALLO, J.; PÉREZ, H.; GARCÍA, D. (2016). Excavación, sostenimiento y técnicas de corrección de túneles, obras subterráneas y labores mineras. Universidad del País Vasco. Bilbao, España, 277 pp.

GRIMSTAD, E.; BARTON, N. (1993). Updating the Q-Sytem for NMT. Proceedings of the International Symposium on Sprayed Concrete – Modern Use of Wet Mix Sprayed Concrete for Underground Support. Fagemes, Norway. Ed. Kompen, Opsahi and Berg. Norwegian Concrete Association. Oslo.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

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Cálculo del peso específico saturado de un suelo mediante un nomograma

Figura 1. Nomograma para el cálculo del peso específico saturado de un suelo. Pesos específicos en kN/m3. Elaborado por Pedro Martínez Pagán.

El otro día estuve hablando con el profesor Pedro Martínez Pagán (Universidad Politécnica de Cartagena) sobre la utilidad actual de los nomogramas para el cálculo en la ingeniería. Un nomograma, ábaco o nomógrafo, es un instrumento gráfico de cálculo, un diagrama bidimensional que permite el cómputo gráfico y aproximado de una función de cualquier número de variables. Permite representar las ecuaciones que gobiernan un problema y el rango de las soluciones.

La nomografía se define como una rama de las matemáticas en la que se estudian métodos de representación gráfica de las dependencias funcionales. A lo largo del siglo pasado, esta rama de la ciencia experimentó un amplio desarrollo y uso en muchos contextos para ayudar a científicos e ingenieros con cálculos exactos y rápidos de fórmulas complejas con una precisión práctica. Sin embargo, la nomografía decayó a finales del siglo XX con el desarrollo y popularización de ordenadores personales y calculadoras de mano más capaces y potentes. A pesar de este contexto, la nomografía sigue siendo atractiva por su potencial para realizar cálculos gráficos rápidos y precisos que contribuyen a una mejor comprensión de las fórmulas complejas. No obstante, es posible que la repetición de un cálculo en numerosas ocasiones o bien el aprendizaje de los estudiantes de un tema determinado, hacen interesante su uso.

De hecho, puede desempeñar un papel importante en la aplicación práctica de la formulación de las ciencias y la ingeniería en una actividad de aprendizaje atractiva y creativa. Además, los estudiantes de ciencias e ingeniería podrían beneficiarse del hecho de que los nomogramas pueden ayudar a estudiar los efectos de las distintas variables de una fórmula. Estos nomogramas son útiles para efectuar estudios preliminares de sensibilidad y proporcionar las habilidades necesarias para interpretar aquellos nomogramas que aún están en uso.

A continuación os paso una pequeña demostración del cálculo de la fórmula que permite conocer el peso específico saturado de un suelo en función del índice de huecos y del peso específico de las partículas sólidas. Además, os paso un ábaco (Figura 1), realizado por el profesor Martínez-Pagán, que permite solucionar fácilmente este tipo de problemas. Espero que os sea de interés.

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Referencias:

MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ROSCHIER, L. (2022). Nomography: A renewed pedagogical tool to sciences and engineering high-education studies. Heliyon, 8(6):e09731. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09731

YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente n.º 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5.

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Rendimiento en una perforación rotativa con triconos

Tricono con insertos. https://www.talleresegovia.com

En un artículo anterior se describió la perforación rotativa de rocas y la perforación con triconos. El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje. Actualmente, se emplean frecuentemente los trépanos triturantes o triconos. Con este sistema de perforación se alcanzan buenos rendimientos, del orden de 60-100 m/turno, en profundidades de hasta 200 m. Se usa en ingeniería civil con diámetros entre 100 y 300 mm. Sin embargo, estos límites se superan, por ejemplo, en perforaciones petrolíferas, donde en España se han superado los 4500 m de profundidad.

En este artículo vamos a presentar un problema resuelto de rendimientos y plazos en una perforación rotativa con triconos sobre una roca. Como podréis ver, muchas de las formulaciones empleadas son empíricas y, en este sector, sigue empleándose frecuentemente el sistema de unidades anglosajón.

 

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Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie: Tecnología y Seguridad Minera. Segunda edición, Madrid, 541 pp.

LÓPEZ JIMENO, C. (Ed.) (2000). Manual de sondeos. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 699 pp.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2005). Temas de procedimientos de construcción. Extracción y tratamiento de áridos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2005.165. Valencia, 74 pp.

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Cálculo de la altura crítica de un suelo cohesivo a corto plazo

En un artículo anterior resolvimos el caso de la altura crítica de una excavación sin entibación para el caso del largo plazo, es decir, en condiciones drenadas. Sin embargo, vamos a ver a continuación un caso particular, donde tenemos un suelo puramente cohesivo en condiciones no drenadas, Cu y φ = 0, que corresponde a la estabilidad a corto plazo.

Se trata de un caso muy simple que permite resolver de forma sencilla la rotura del suelo. La realidad es más compleja, siendo necesario utilizar métodos más generales de análisis que permitan superficies de rotura curvas, perfiles más complicados del terreno y regímenes hidráulicos determinados. Para ello se remite al lector al estudio de los métodos de equilibrio límite.

Por cierto, este tipo de problemas también se puede resolver gráficamente con un nomograma. Os paso uno elaborado en colaboración con el profesor Pedro Martínez Pagán.

En esta ocasión os paso un problema resuelto donde se calcula la máxima altura que podría tener una excavación a corto plazo en un terreno arcilloso. Para este problema se ha empleado un coeficiente de seguridad de 1 (caso estricto) que habría que particularizar al problema concreto de obra con un coeficiente de seguridad de, por ejemplo, 1,5. No obstante este valor, hay que ser prudentes cuando la altura sin entibar resulte un peligro para el enterramiento de las personas, especialmente en zanjas o pozos. Téngase en cuenta que el valor de la cohesión depende de la humedad del suelo, y esta disminuye con el tiempo. En dicho caso, en terrenos coherentes y sin solicitación de cimentación o próxima a vial (o acopio equivalente), la altura máxima sin entibar será de 1,30 m en un corte vertical.

Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación”. Espero que os sea de interés.

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Referencias:

http://www.osalan.euskadi.eus/contenidos/libro/seguridad_201210/es_doc/adjuntos/Seguridad%20en%20zanjas.pdf

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/201a300/ntp_278.pdf

http://www.lineaprevencion.com/ProjectMiniSites/Video5/html/cap-2/db-prl-mt/seccion-2-desmonte-y-vaciado-a-cielo-abierto/seccion2desmonteyvaciadoacieloabierto.html

http://www.cepymearagon.es/WebCEPYME%5Cdatos.nsf/0/BB3A397513D24B57C1257DFE0031A982/$FILE/2014-DGA-02.pdf

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.

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Cálculo de la profundidad de la hinca de una tablestaca para evitar el sifonamiento

Figura 1. Sifonamiento en la base de una tablestaca o pantalla.

La inestabilidad del fondo o sifonamiento ocurre cuando existe un flujo ascendente, un terreno granular no consolidado puede perder completamente su resistencia a corte y comportarse como un fluido (arenas movedizas, partículas sueltas, como en ebullición), por lo que al fenómeno también se le conoce como fluidificación. Ello ocurre cuando un incremento de la presión intersticial anula la presión efectiva, o dicho de otra forma, cuando las fuerzas producidas por la filtración superan el peso sumergido del suelo. Este fenómeno podría aparecer en pantallas o tablestacas con un empotramiento reducido (Figura 1). En un artículo anterior al que denominamos “El efecto Renard, o por qué un suelo parece que entra en ebullición: Sifonamiento”, explicamos con cierto detalle este fenómeno y resolvimos cuál debería ser la profundidad a la que debería hincarse una tablestaca para evitar que un suelo sin cohesión pierde completamente su resistencia al corte y pasa a comportarse como un fluido.

A este respecto, ya avisamos que una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra bien diferente es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometido. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores. Se recomienda siempre efectuar con detalle los cálculos geotécnicos y estructurales necesarios. Y sobre todo, utilizar el sentido común.

En esta ocasión os paso un problema resuelto donde se calcula la profundidad mínima a la que debe hincarse una tablestaca para evitar el sifonamiento. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación”. Espero que os sea de interés.

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REFERENCIAS:

  • 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.
  • 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. (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.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Cálculo de la máxima profundidad de excavación frente al taponazo

Figura 1. Rotura de fondo o taponazo.

En una entrada anterior, donde se describían los problemas del agua en las excavaciones, ya se habló del levantamiento de fondo o taponazo: El fondo de la excavación se puede volver inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar al empuje del agua (Figura 1). Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca de baja permeabilidad sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado de mayor conductividad hidráulica (como una grava, muy permeable). Suele resolverse el problema con pozos de alivio.

En esta ocasión os paso un problema resuelto donde se calcula la máxima profundidad de excavación frente al taponazo. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación”. Espero que os sea de interés.

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REFERENCIAS:

  • 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.
  • 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. (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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Problema resuelto sobre el caudal a bombear en la excavación de un solar

En una entrada anterior a este artículo se utilizó la Ley de Darcy y la línea de flujo más corta (de mayor gradiente crítico) para establecer una aproximación al caudal que habría que evacuar de una excavación en un solar. No obstante, para un estudio en detalle del flujo hidráulico en un medio poroso deberíamos acudir a la ecuación de Laplace y proceder a la integración de este tipo de ecuación en derivadas parciales atendiendo a las condiciones de contorno. En el siguiente vídeo que os he preparado tenéis una breve explicación. Este vídeo pertenece al curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de ingeniería civil y edificación.

Con todo, lo mejor es presentar un problema resuelto que, espero, os sea de interés.

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Referencias:

PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat. Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia.

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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Problema del drenaje en el vaciado de un solar. Corrección de Jacob a la fórmula de Dupuit-Thiem

Resulta habitual en edificación tener que realizar la excavación de un solar cuando tenemos un nivel freático somero. En este caso es común el uso de pozos drenantes para ejecutar la excavación en seco. En la asignatura de Procedimientos de Construcción hay un tema dedicado al control del nivel freático.

En el problema que os paso a continuación, utilizo un solo pozo para mantener el nivel piezométrico controlado. Para eso he empleado la conocida fórmula de Dupuit-Thiem. Sin embargo, dicha expresión se ha deducido para acuíferos confinados, donde es más sencillo simplificar las condiciones de contorno. En el caso de acuíferos libres, especialmente cuando su espesor no es muy grande, se puede usar dicha ecuación aplicando la corrección de Jacob.

He querido irme al caso en que desconozco la permeabilidad del terreno. Para eso debo medir los descensos en, al menos, un par de puntos, para obtener la Transmisividad, que es uno de los parámetros empleados en la fórmula de Dupuit-Thiem. Espero que este problema os sea de interés.

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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.
  • 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.

La comunicación multicanal de la geotecnia y sus procedimientos constructivos

Hoy, 2 de octubre, pero del año 1883, nació en Praga Karl von Terzaghi que fue un ingeniero, reconocido como el padre de la mecánica de suelos. Para celebrar esta efeméride, se ha organizado un Encuentro Profesional Geololotecnia 2022.

Mi agradecimiento a los organizadores de este evento, tanto a Germán Sánchez (@ingeodo) como a Manuel Romana (@MRGdeviaje).

En dicho encuentro tuve la ocasión de presentar una comunicación denominada “La comunicación multicanal de la geotecnia y sus procedimientos constructivos“. Se trata de una reflexión muy personal respecto a la forma que tengo de comunicar con mis estudiantes y dejar en abierto el conocimiento en las redes sociales. Os dejo el vídeo completo por si os puede resultar de interés.

Encuentro profesional Geolotecnia 2022, celebremos el día de Terzaghi compartiendo

En breves días, en concreto el 1 y 2 de octubre de 2022, vamos a celebrar el día de Terzaghi en un encuentro virtual, abierto a profesionales, estudiantes, académicos y gente interesada de todo el mundo, especialmente España e Iberoamérica, en español. Los organizadores son mis amigos Germán Sánchez Gómez (@ingeododo) y Manuel Romana García (@MRdeviaje).

Yo mismo tengo pensado participar mediante una pequeña aportación donde explicaré cómo se puede divulgar la geotecnia y los procedimientos constructivos en redes sociales y en cursos especializados, algunos masivos y gratuitos.

Os espero. Dejo a continuación el folleto y os recuerdo que puedes apuntarte en geolotecnia22@gmail.com