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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Electroósmosis como técnica de drenaje del terreno

Figura 1. Proceso de electroósmosis (Terrancorp.com, 2014)

Muchos problemas de ingeniería tienen que ver con la estabilidad de los terrenos. Para solucionar estos problemas se utilizan distintos métodos que permiten aumentar la resistencia del mismo mediante tratamientos de tipo granular, químico o térmico. Una forma de estabilizar los suelos finos saturados o parcialmente saturados es la electroósmosis, que no solo permite mejorarlos, sino también se emplea como técnica de drenaje. Otro de los usos habituales de esta técnica es para combatir la humedad por capilaridad, con lo que se combaten las eflorescencias. Sin embargo, en este artículo nos centraremos en el empleo de la electroósmosis como técnica de mejora del terreno y como técnica de drenaje del nivel freático.

La electroósmosis es un fenómeno basado en la precipitación eléctrica de sustancias coloidales en suspensión, observado por el físico Reuss (1808) quien introdujo dos tubos verticales abiertos en sus extremos dentro de un bloque de arcilla húmeda llenándolos de agua hasta la mitad de su altura. Después de situar un par de electrodos en su interior, hizo pasar por ellos una corriente eléctrica comprobando que el nivel de agua subía en uno de los tubos mientras descendía en el otro. Esto demostraba la existencia de un flujo de agua de un tubo al otro a través de la arcilla.

Más tarde Casagrande (1.952) llevó a la práctica el sistema aplicándolo para consolidar un suelo arcilloso en la excavación de un talud. Para ello, colocó como cátodos, dos series de tubos porosos de 10 cm de diámetro y 7 m de profundidad, en torno a los cuales situó un relleno de gravilla para facilitar la entrada del agua. Entre cada dos cátodos separados 9 m se intercalaron como ánodos, tubos de 12 mm de diámetro. El paso de una corriente de 90 voltios y una potencia de 1,5 kW provocó la acumulación del agua en los tubos porosos (cátodos) de los cuales se pudo extraer fácilmente por bombeo.

La electroósmosis es un método de drenaje eléctrico empleado para estabilizar arcillas blandas y limos al incrementar su resistencia por la reducción de humedad. Téngase en cuenta que son terrenos que presentan problemas para aplicar las técnicas de pozos con sistema de vacío convencional. El sistema deja de ser efectivo en arenas finas con permeabilidades inferiores a 3·10-5 m/s. La diferencia con otros procedimientos es que el movimiento del agua no se produce por gravedad sino por efecto de un campo eléctrico. Con la electroósmosis se desatura el suelo, aumenta su resistencia y se consolida, como un efecto principal y, en consecuencia, se mejoran las condiciones del terreno con su estabilización.

El agua fluye de los ánodos (+) a los cátodos (-) en un medio poroso saturado (Figuras 2 y 3). Dan buenos resultados cátodos de un diámetro de 120 mm colocados cada 3-5 m y barras de acero o aluminio como ánodos intercalados de 100 mm de diámetro. En el cátodo se sitúa un wellpoint o un pozo drenante, que es un tubo abierto por el fondo. Los ánodos y cátodos son tubos abiertos por el fondo. Los gradientes de potencial varían entre 30 y 180 V. A mayor voltaje, más volumen de agua drenada, aunque pueden producirse fenómenos de hidrólisis, por lo que deben hacerse ensayos para establecer los parámetros energéticos más convenientes. Se necesitan de 0,5 a 1,4 kW/m3 de suelo drenado en excavaciones grandes, y hasta un máximo de unos 14 kW/m3 en las pequeñas. Este movimiento del agua genera consolidación, con un aumento temporal de las tensiones efectivas.

La conductividad eléctrica del agua depende de su salinidad y ello influye en la eficiencia de la corriente y el voltaje aplicado. En un suelo con mayor salinidad, el volumen de agua drenada con la electroósmosis es mayor y la consolidación es más eficiente y rápida.

Figura 2. Disposición del equipo para el drenaje
Figura 3. Disposición del equipo para el drenaje (Bell, 1993)

Las desventajas de este método radican en el alto costo de la energía necesaria y en los problemas relacionados con la seguridad de los operarios al trabajar con un circuito de corriente continua. Los elevados costes de ejecución y a la poca práctica en su uso, limitan la aplicación de la electroósmosis a casos especial en los que el caudal a evacuar sea escaso. Su empleo más frecuente es la mejora permanente de las propiedades de los cimientos o en la estabilidad de los taludes. En la Figura 4 se muestra el principio de la electroósmosis empleado en el drenaje previo a la excavación de un túnel.

Figura 4. Tratamiento por electroósmosis previo a la excavación de un túnel (Bielza, 1999)

A continuación os dejo un vídeo que os he grabado para explicar este procedimiento de tratamiento de suelos. Espero que os guste.

Referencias:

  • BELL, F.G. (1993). Engineering treatment of soils. E & F Spon, Londres.
  • BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 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. (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. POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia
  • 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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Sondeo a rotación con barrena helicoidal

pilote-cpi8-2grandeEl sondeo a rotación con barrena helicoidal, maciza o hueca es un método a perforación a destroza en la que los materiales salen desmenuzados por la boca del sondeo. Se puede utilizar si el terreno es relativamente blando y cohesivo, y no se encuentran capas cementadas, gravas, o roca en toda la profundidad de realización del sondeo. Si se emplea la barra helicoidal hueca, es posible la toma de muestras inalteradas y la realización de ensayos “in situ” por el interior de la sonda.

Podemos destacar tres tipos fundamentales: hélice corta, hélice continua y cucharas auger.

Hélice corta
Hélice continua

Os dejo un vídeo explicativo de estas técnicas. Espero que os guste.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.