Proyecto Final Suelos II - Andrés Araya y Kenneth Sanchez
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Universidad Latina de Costa Rica Sede Heredia Ingeniería y Arquitectura Ingeniería Civil Mecánica de Suelos II Grupo 5398 Proyecto Final: Descripción de Diseño Básica para Muro de Gaviones y Análisis Comparativo del Proceso Constructivo entre Muro de Gaviones y Muro de Anclajes Pretensado Estudiantes Andrés Araya H. Kenneth Sánchez S. Prof. Luis G. Lacayo E. II Cuatrimestre 2012
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Universidad Latina de Costa Rica
Sede Heredia
Ingeniería y Arquitectura
Ingeniería Civil
Mecánica de Suelos II
Grupo 5398
Proyecto Final:
Descripción de Diseño Básica para Muro de Gaviones y Análisis
Comparativo del Proceso Constructivo entre Muro de
Gaviones y Muro de Anclajes Pretensado
Estudiantes
Andrés Araya H.
Kenneth Sánchez S.
Prof.
Luis G. Lacayo E.
II Cuatrimestre 2012
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Contenido
I. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO ........................................................................................................ 3
II. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ................................................................................................... 3
III. DESCRIPCIÓN DEL ALCANCE .................................................................................................... 3
IV. SUPOSICIONES Y LIMITACIONES ............................................................................................. 4
V. OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................................... 4
VI. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................... 4
VII. METODOLOGÍA ........................................................................................................................ 5
VIII. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................... 6
A. CONDICIONES DE TALUD ......................................................................................................... 6
B. TIPOS DE ESTRUCTURA DE CONTENCIÓN ............................................................................... 7
C. CRITERIOS DE COMPORTAMIENTO ......................................................................................... 8
D. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS ...................................................................................... 9
E. MANEJO DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO .................................... 10
F. PRESIONES DE TIERRA EN CONDICIONES ESTABLES ............................................................. 12
G. DISEÑO DE MUROS ............................................................................................................... 17
1) MUROS FLEXIBLES: MUROS DE GAVIONES ....................................................................... 19
2) MUROS ANCLADOS: MUROS DE ANCLAJE PRETENSADO .................................................. 30
IX. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS .......................................................................................................... 38
X. CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 42
XI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................. 43
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I. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO El planteamiento de este proyecto se basa principalmente en conocer el criterio de diseño
del sistema de muros de gaviones y hacer una análisis comparativo de los procesos constructivos
de este tipo de muro con respecto a un muro anclaje pretensado para la retención de taludes,
además de sus ventajas y desventajas. También se planteará una breve análisis comparativo de
selección de muro dependiendo de las condiciones de sitio.
II. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO La realización de este proyecto se enfoca en obtener el conocimiento de lo que es un muro
de gaviones, de cuáles son sus características, sus desventajas en comparación con otro sistema
muro de anclaje pretensado.
Además se pretende conocer los beneficios de esta técnica, así su cómo sus funciones y las
circunstancias en las cuales es más indicado colocar un sistema de muro de gaviones dependiendo
del tipo de suelo en el que se trabaje para disminuir el riesgo del deslizamiento del terreno, ya sea
si se construye una obra sobre el suelo para que esta no se deslice o si se está reteniendo un talud
de gran altura y/o de un suelo difícil de trabajar como una arcilla expansiva. En estos casos, es muy
importante tomar en cuenta la filtración de agua, las cargas a soportar y las cargas de empuje de
tierra para brindar un adecuado rendimiento en dicha obra. Asimismo, se le asegura al cliente la
calidad y estabilidad de la obra a lo largo del tiempo.
III. DESCRIPCIÓN DEL ALCANCE La utilización de los muros de gaviones se ha extendido a diversas áreas de la construcción
logrando no solamente evitar desastres sino además ser elementos decorativos en un proyecto
constructivo. Por tanto, al final de este proyecto se espera tener el conocimiento suficiente para
proponer este tipo de sistema de retención en obras de acuerdo a las ventajas y desventajas que
ofrece este sistema con respecto a otros.
Se pretende alcanzar un conocimiento básico sobre el proceso constructivo de ambos
sistemas de retención de acuerdo a las necesidad técnicas, económicas y constructivas de la obra.
De la misma manera, se pretende conocer brevemente análisis de diseño para el sistema
de muro de gaviones de acuerdo a las fuerzas y presiones que actúan sobre el muro.
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IV. SUPOSICIONES Y LIMITACIONES Existen dos diferentes condiciones de diseño de una estructura de contención. La
condición de talud estable y la condición de talud inestable, para este trabajo se supondrá la
condición de talud estable en el análisis de las estructuras.
Para el análisis de diseño de gaviones, el talud se considera como un relleno,
preferentemente ejecutado como un material no cohesivo y así es normal considerar como nula la
cohesión del suelo.
En cuanto al criterio de diseño, este trabajo de investigación se limitará únicamente a
exponer el criterio de diseño básico para un muro de gaviones por medio de las teorías de Rankine
y Coulomb, excluyendo la teoría de estado límite.
V. OBJETIVO GENERAL
Investigar y comparar la utilidad del uso de muros de gaviones con respecto a muros con
anclaje.
VI. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Llevar a cabo una guía práctica sobre el proceso constructivo de ambos sistemas a
investigar.
Determinar el rendimiento de ambos sistemas.
Compara el sistema de muros de gaviones con respecto a muros con anclajes.
Estimar costos aproximados por metro cúbico de construcción de los muros de retención
antes mencionados.
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VII. METODOLOGÍA El desarrollo de este proyecto se enfocará en la investigación de información para el
análisis de diseño de los muros de gaviones, así como las aplicaciones que se le puedan a este tipo
de muro. Se hará una visita a una proyecto de construcción en donde se está empleando el
sistema de muro de anclaje pretensado para discutir con el ingeniero responsable sobre las
razones principales de usar ese tipo de estructura de contención en la zona.
También se contactará con alguna empresa constructiva que nos pueda brindar
información sobre el rendimiento de este sistema comparado a otros que ellos mismos hayan
realizado.
Asimismo, se investigará de manera breve sobre los procesos constructivos de los
diferentes sistemas para brindar un análisis comparativo básico y conclusiones sobre el uso de
estos dos diferentes tipos de muro de acuerdo a las condiciones del sitio. Esto se hará mediante la
investigación en empresas constructivas, libros, informes técnicos relacionados al uso de muros de
gaviones y muros con anclaje, sobre aspecto relacionados a la altura del muro, el tipo de suelo,
complicaciones del terreno, entre otros.
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VIII. MARCO TEÓRICO Los suelos, así como otros materiales, tienen un ángulo de reposo propio, este ángulo da como
resultado una pendiente que soporta o evita que el material se deslice. Sin embargo, muchas
veces se requiere de algún tipo de estructura de contención para lograr un soporte adecuado del
suelo sin que este falle y tienda a moverse o deslizarse.
El propósito de una estructura de contención es el resistir las fuerzas ejercidas por la tierra
contenida y transmitir esas fuerzas en forma segura a la fundación. En el caso de un deslizamiento
de tierra, el muro ejerce una fuerza para contener el suelo inestable y transmite esa fuerza hacia
una cimentación o zona de anclaje por fuera de la zona susceptible de moverse o de la superficie
de falla del terreno.
Los muros de gravedad y contención siempre han existido y para construirlo se han tomado en
cuenta importantes variables como la conveniencia de su utilización, las condiciones originales de
los terrenos, la ubicación de la estructura, el costo-esfuerzo, el tiempo, entre otras. Actualmente,
con el desarrollo de la tecnología y la intención de reducir costos y el tiempo de construcción, se
han ido creando nuevas alternativas para los muros de contención como la inclusión de materiales
geo-sintéticos.
Para el análisis de la estructura, se contempla la determinación de las fuerzas que actúan por
encima de la base de fundación como el empuje de tierras, el peso propio de la tierra, el peso de la
estructura, la fricción con el suelo en el que se apoya y sobrecargas con la finalidad de estudiar la
estabilidad al volcamiento, deslizamiento, presiones de contacto suelo-muro y resistencia mínima
requerida por lo elementos que conforman el muro.
A. CONDICIONES DE TALUD Para el diseño de una estructura de condiciones, siempre debe diferenciarse dos condiciones
totalmente diferentes:
Condición de talud estable.
Se analiza suponiendo que el suelo
es homogéneo y se genera una
presión de tierras de acuerdo a las
teorías de Rankine o Coulomb y la
fuerza activa tiene una distribución
de presiones en forma triangular.
Condición de talud inestable o de deslizamiento.
En el caso de que exista una posibilidad de un deslizamiento o se trate de la estabilización
de un movimiento activo, la teoría de presión de tierras de Rankine o Coulomb no
representa la realidad de las fuerzas que actúan sobre el muro y generalmente el valor de
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las presiones y fuerzas reales van a ser mayor que las calculadas por las teorías. En el
diseño, el hecho de que exista un factor de seguridad bajo, equivale a que se hayan
generado deformaciones en el
talud y producen un aumento
muy superior de fuerzas sobre
la estructura a diseñar.
Es común en la condición de talud
inestable, las estructuras de contención
fallen a pesar de ser diseñadas con un
método aceptado universalmente. Para
este proyecto de investigación se
supondrá solo la condición de talud
estable.
B. TIPOS DE ESTRUCTURA DE CONTENCIÓN Actualmente hay varios tipos generales de estructura (muros rígidos, muros flexibles, tierra
armada, muros anclados, muros enterrados) y cada una de ellas tiene un sistema diferente de
transmitir cargas.
Como se mencionó anteriormente, se hará un análisis comparativo entre un muro de gaviones y
un muro anclado con anclajes activos, los cuales hacen referencia a muro flexible y muro anclado
respectivamente.
Los muros flexibles se adaptan a los
movimientos del terreno. Su efectividad
depende del peso propio y de la capacidad
de soportar deformaciones importantes sin
que se rompa su estructura.
Los muros anclados pretensados
generalmente tratan de la colocación de
varillas o tendones de acero en perforaciones hechas en el talud
y se rellena con un concreto bombeado. Los anclajes colocados
pueden ser pretensados con una carga sobre el núcleo de
concreto cementado o simples, es decir, sin colocación de carga.
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Para la selección del tipo de estructura de contención a construir, existen algunos factores que son
necesarios tomar en cuenta para una correcta decisión:
Localización del muro de contención propuesto, la cantidad de espacio disponible y su
posición relativa con relación a otras estructuras.
Altura propuesta y la topografía resultante.
Condiciones del terreno y el nivel del manto freático.
Disponibilidad de materiales.
Vida útil y mantenimiento.
C. CRITERIOS DE COMPORTAMIENTO Todas las partes de una estructura de condición siempre deben requerir condiciones
fundamentales de rigidez, flexibilidad, estabilidad y durabilidad durante su proceso constructivo y
a lo largo de su vida útil. Todo muro de contención que nos satisfaga cuales sea sus criterios de
comportamiento fundamentales, será una estructura que se considera haber alcanzado su “estado
límite”. Durante el proceso de diseño y análisis, es necesario contemplar todo el rango de estados
límites que pueda alcanzar un muro de contención. Siendo el estado límite un concepto de la
estructura en el cuál esta ya no se comporta de manera tal que pueda evitar el fallamiento de
bloque de terreno.
Estado límite último. Es el estado en el cual puede formarse un mecanismo de falla en el
suelo o en la estructura de contención, ya sea una inclinación o fractura de este. En este
caso, se debe analizar el diseño en el estado anterior a la falla y no en el colapso total.
Estado límite de servicio. Es el estado en el que el muro de contención no cumple con
algún criterio específico de servicio. Puede que la estructura en este momento no sea
visiblemente agradable al ojo humano debido a la existencia de una deformación o grieta
en el muro, por ende la disminución de la vida útil. En estas situaciones se debe tomar en
cuenta el efecto que podría causar el muro dañado a otras estructuras adyacentes o redes
de servicio. Todo muro de contención debe diseñarse de manera tal que muestre signos
vitales de peligro antes de que este falle, por tanto, el diseño debe evitar la ocurrencia de
fallas súbitas o roturas sin antes mostrar deformaciones que adviertan el peligro de falla.
Es por eso que se recomienda un comportamiento suficientemente dúctil para cuando se
acerca a una falla o colapso total.
Es necesario que la durabilidad del muro y los requisitos de mantenimiento sean considerados en
el diseño, ya que una inadecuada durabilidad puede resultar en un costo alto de mantenimiento y
sobre todo en el alcance rápido del estado límite último.
Asimismo, la parte estética de un muro de contención puede ser un detalle dominante de un
paisaje urbano o rural, por tanto en su diseño debe considerarse este aspecto. Entre algunos de
los detalles que influyen en el factor estético del muro son: la altura e inclinación del muro, la
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curvatura en planta, la gradiente y conformación de la superficie del terreno aledaño, la textura de
la superficie exterior, entre otros.
D. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS La seguridad y la economía son dos aspectos que siempre han de ser considerados en el diseño de
la estructura y deben de tener una consideración especial con el proceso de construcción del tipo
de muro y los materiales a utilizar.
i. Selección y características del relleno
Debido a ciertos factores como el económico y la disponibilidad de materiales, el
material de relleno a colocarse detrás de una estructura de contención dependerá de las
condiciones del sitio, la carga que se vaya a colocar sobre el relleno y el tipo de muro.
Generalmente este material debe de ser un suelo con buen drenaje, durable, de alta
resistencia y rígido, además debe de estar limpio, es decir, libre de material indeseable
como turba, madera, material orgánico, material tóxico, lodo, arcillas expansivas,
material inflamable, entre otros. No debe ser químicamente agresivo, ya que podría
dañar el concreto o el acero.
Colocación y compactación del terreno. Todo material de relleno debe de ser
compacto y debe especificar el grado de compactación. Entre mayor sea el grado de
compactación, este tendrá una mayor resistencia al cortante y será un relleno más
rígido pero al mismo tiempo la permeabilidad es menor debido a la reducción en el
porcentaje de vacíos. Las presiones de consolidación deben de ser tomadas en
cuenta en el diseño del muro, así mismo, se debe especificar el cumplimiento de
requisitos y la frecuencia de los ensayos de calidad de los materiales. No es
recomendable el uso de rellenos de arcilla por sus problemas asociados de
contracción y expansión, pero a menudo son los únicos materiales disponibles en el
país. Tampoco se recomienda el uso de suelos finos, el material de relleno
generalmente es un material granular que permita un buen drenaje y limpio.
ii. Método de construcción
Por lo general, la secuencia y métodos de construcción la determinar el contratista, sin
embargo, hay casos en los que la secuencia de operación debe indicarse en el diseño.
Los procesos de excavación, relleno, bombeo del agua freática, etc., deben organizarse
para evitar poner en peligro la estabilidad y reducir la resistencia del muro, por ejemplo
en el caso de un muro de contención diseñado para ser soportado lateralmente en su
cabeza, no debe permitirse que se coloque el relleno hasta que este soporte no se haya
construido.
iii. Obras Temporales
Al momento de construir un muro de construcción, siempre se deben especificar las
excavaciones requeridas en el diseño y además deben tener una estabilidad adecuada.
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Asimismo, no se deben producir movimientos inaceptables en estructuras cercas o redes
de servicio. En este proceso de excavación debe tener en cuenta el efecto del tráfico de
vehículos, el clima, los movimientos sísmicos, entre otros factores que puedan a afectar
el comportamiento del talud. Comúnmente, el control inadecuado del nivel de agua
freática genera fallas en los taludes o produce debilidad de las fundaciones, es por tanto
que debe tomarse en el diseño.
E. MANEJO DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO Los modelos de cálculos matemáticos consisten en métodos basados en teorías de análisis como la
teoría de Rankine o Coulomb, y en un modelo de modificación de los resultados del análisis para
asegurarse que los cálculos son ciertos.
i. Cargas a tener en cuenta en el análisis
Siempre deben obtenerse las cargas concentradas y/o distribuidas que puedan afectar a
la estructura, como el peso del suelo, la roca, el agua, presiones de empuje de tierra, la
fricción entre el material por debajo de la cimentación y la fundación, presiones de agua,
sobrecargas, cargas sísmica y cagas relacionadas con fenómenos geológicos y las
actividades humanas. Y siempre ha de diseñarse con la condición más crítica, es decir la
carga última. La determinación de estas cargas implica información clara de la geometría
del talud, los niveles de excavación, parámetros geotécnicos del suelo y la geometría del
modelo geológico.
ii. Factores de Seguridad
Los factores de seguridad por sí solos no son una garantía para la estabilidad de la
estructura. Debe observarse que los factores de seguridad no cubren los errores
humanos y el incumplimiento de las especificaciones de construcción ni las
equivocaciones en los cálculos de cargas.
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iii. Investigación del sitio y elaboración del Modelo Geológico para el diseño de
muros
Mediante el estudio geotécnico del sitio, se puede determinar si existen las condiciones de
estabilidad suficientes para el tipo de muro de contención a diseñar. Un diseño preliminar
del muro ayuda a determinar los principales parámetros a conocer en un estudio
geotécnico. Por lo general, debe identificar las condiciones específicas de drenaje
subterráneo y superficial, la manera en que el drenaje cambia con el clima.
iv. Parámetros geotécnicos
Para muros de menos de tres metros de altura, es usual seleccionar los parámetros del
relleno y para el suelo de cimentación. Los materiales deben ser seleccionados
cuidadosamente y se deben realizar ensayos de clasificación y otras propiedades de los
materiales para comprobar que los parámetros asumidos son consistentes con los tipos de
material encontrado.
Para estructuras de alturas mayores a los seis metros, los parámetros geotécnicos deben
ser determinados en ensayos de laboratorio de muestras tomadas en el sitio y se debe
adicionar la descripción detallada de los materiales. Para los muros que se encuentre en
un rango entre los tres a los seis metros, la selección de parámetros por medio de ensayos
dependerá de la importancia del muro.
Siempre que sea posible, se debe analizar los parámetros utilizados en cálculos con los
conocidos de los materiales del sitios y examinar si existen desviaciones y el por qué, con
referencia a los valores previamente conocidos.
v. Determinación de los parámetros de diseño
Cada parámetro a utilizar deben analizarse de manera cuidadosa con relación al
comportamiento del muro durante la construcción y su vida útil, ya que muchos no son
constantes como la resistencia al cortante. Estos deben seleccionarse teniendo en cuenta
factores como la calidad del estudio geotécnico, los métodos de ensayo, la variabilidad de
los materiales, los efectos del tiempo, entre otros. Algunos parámetros pueden afectar
considerablemente el diseño, es por eso que el diseñador debe ser comprobar la
confiabilidad de esos parámetros.
Las propiedades para suelos compactados deben determinarse mediante muestras de
ensayo de compactación en el campo o por los correspondientes en el laboratorio. Para
ensayos sobre suelos in situ, deben tomarse muestras inalteradas y en algunos casos
deben realizarse en el lugar para no alterar la muestra.
vi. Fricción Suelo-Estructura
La fricción que se genera entre el suelo y el material en la superficie de la cimentación
depende del tipo de suelo, del tipo de material, del tipo de estructura y del tipo de presión
generada en la interface. Existen tres condiciones diferentes que se deben tomar en
cuenta:
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1. Fricción Estructura-Cimentación. La fricción suelo-muro es la componente
tangencial de una fuerza resistente que se genera en la interfase entre el suelo
de fundación y el material de la estructura. Estos valores se obtienen con una
función del ángulo de fricción del suelo pero no son una propiedad del material.
2. Fricción en la pared para la presión activa. La fricción positiva solamente será
movilizada en su estado activo cuando el suelo retenido trata de moverse hacia
abajo, relativamente a la pared.
3. Fricción suelo-muro para presión pasiva. La fricción suelo-muro solamente será
movilizada en el estado de presión pasiva cuando el suelo en la zona pasiva
tiende a moverse hacia arriba relativamente a la pared.
F. PRESIONES DE TIERRA EN CONDICIONES ESTABLES Existen tres tipos de presión de acuerdo a las características de deformación supuestas en la
interacción suelo-estructura:
Presión en Reposo. Ocurre cuando no la masa de suelo detrás del muro no se ha
movido y además, se le ha prevenido de expandirse o contraerse. Esta es un
condición especial de equilibro ya que el suelo no ha soportado ninguna
deformación lateral.
Presión Activa. Es una presión lateral ejercida por el suelo hacia la estructura,
provocando una deformación o movimiento del muro hacia afuera de la masa de
suelo a soportar.
Presión Pasiva. Es al contrario de la presión activa, sucede cuando la presión
lateral ejercida sobre la pared del muro de manera que este se mueve hacia
adentro del talud alcanzando un valor máximo de presión.
Para el análisis de esta investigación las presiones trabajas por el muro de gaviones y el muro
anclado pretensado serán, respectivamente, presión activa y presión pasiva.
i. Teoría de Rankine
Para un suelo sin cohesión
(C=0) la teoría de Rankine
presenta el estado de
esfuerzos completo de la masa
de suelo, la cual se asume que
está en equilibrio plásticos y la
presión de poros se asume
igual a cero.
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Esta teoría asume que ha ocurrido
un movimiento suficiente para
que el suelo alcance un estado de
equilibrio plástico, sin embargo,
muchas veces las condiciones de
esfuerzo de Rankine no se
cumplen.
Según la siguiente figura, se puede observar que la tensión vertical "Pv" posee un
inclinación "i" en relación con la superficie del suelo, está tensión puede ser
descompuesta en una tensión normal y una tensión tangencial. En la figura también se
muestran los círculos de Mohr correspondientes a los estados activos y pasivos para un
suelo granular seco o un suelo no cohesivo.
De ahí se puede
sacar los datos de los
coeficientes de
empuje activo y
pasivo según una
relación que se da
entre la presión
lateral y la presión
vertical. Para
presiones activas,
√
√
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Y la presión activa está dada por:
√
Donde la cohesión es cero (C=O), por tanto
Cuando se tiene un ángulo "i" igual a cero,
( ⁄ )
Para presiones pasivas,
√
√
Y la presión pasiva será:
Para todos los casos, es el peso unitario del relleno y H es la altura desde la
cimentación hasta la superficie del relleno.
Para el caso de un suelo cohesivo, no existe una expresión analítica simple cuando la
superficie del suelo no es horizontal, siendo necesaria la determinación de la presión
lateral gráficamente mediante el uso de los círculos de Mohr correspondientes a los
estados activo y pasivo.
ii. Teoría de Coulomb
Otra manera de calcular los empujes es si admitimos que si al instante de la movilización
total de la resistencia del suelo se forman superficies de deslizamiento o rotura en el
interior del macizo o talud. El método de Coulomb admite que tales superficies de rotura
son planas y el empuje es aquel que actúa sobre la más crítica de las superficies de
rotura planas.
En este método se puede considerar la existencia de fricción entre la estructura de
contención y el suelo, además permite el análisis de estructuras con paramento no
vertical.
En suelos no cohesivos para empuje activo, las fuerzas que actúan sobre la cuña de suelo
formada en el estado activo son el peso propio del Talud "P", la reacción del macizo "R" y
su inclinación " " en relación a la superficie de rotura, el empuje activo "Pa" con un
inclinación " " en relación al paramento de la estructura de contención. Este último es el
ángulo de fricción entre el suelo y las estructura de contención.
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El valor del peso propio es:
[
]
El empuje activo se determina a partir del equilibrio de fuerzas:
La superficie más crítica en el caso activo, es aquella que lleva el valor del empuje activo
a un máximo, obtenida de la derivada de la expresión anterior en relación al ángulo de la
superficie de rotura :
Donde
[ √
]
Para el empuje pasivo hay una inversión en las inclinaciones de las fuerzas "R" y "Pp"
debido a la inversión en el sentido del desplazamiento de la estructura y la superficie
más crítica es aquello que lleva "Pp" a un valor mínimo.
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El empuje pasivo será:
Y
[ √
]
iii. Presiones Inducidas por Sismos
Nuestro país se ubica en una zona donde la alta sismicidad es recurrente, por tanto se
deben diseñar todo los muros para resistir cargas sísmicas especialmente en los
siguientes casos:
Estribos de puentes para carreteras y ferrocarriles.
Muros que soportan estructuras de alto riesgo (estaciones eléctricas,
acueductos, hospitales, etc.).
Muros en voladizo que retienen materiales saturados en los cuales se puede
generar presiones altas de poro en los sismos.
La carga sísmica especificada en diseños debe ser una fuerza equivalente a una
aceleración horizontal de acuerdo a las Normas Sísmica de cada país, en este caso
corresponde a Código Sísmico de Costa Rica. Esta carga siempre debe aplicar en el centro
de gravedad de la estructura.
Para estructuras especiales se recomienda hacer un análisis de la amenaza sísmica donde
se debe incluir el sismo de diseño, las aceleraciones resultantes y los fenómenos de
amplificación de cargas. Según el CSCR-2010, la presión inducida por sismos será:
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Donde es la aceleración pico efectiva de diseño, definida en el sitio de la estructura.
iv. Presiones debido a cargas aplicadas arriba del muro
Hay tres casos de análisis principalmente estudiados:
Cargas concentradas
Cargas lineales
Cargas repartidas o cargas de franja
v. Presiones de expansión
No es recomendable la utilización de suelos cohesivos como suelos de rellenos para
muros debido a que se pueden humedecer y saturar, desarrollando una presión de
expansión equivalente a la presión de ensayo de succión o a la presión de expansión
uniformemente a lo largo del muro.
vi. Fuerzas del agua sobre los muros
La presencia del agua en los muros tiene un gran efecto sobre la magnitud de las fuerzas
en el muro, la mayoría de los muros fallan debido a la acción del agua. Es por eso que
debe proveerse un buen sistema de drenaje detrás del muro y calcular las presiones de
agua del diseño, sin embargo, en muros convencionales con un buen drenaje, la presión
de agua se asume como cero. Es recomendable siempre tener en cuenta una presión de
agua en el diseño por aquello de que se obstruya algún drenaje.
Las presiones de agua deben basar en la condición más crítica como inundaciones o
rompimiento de tuberías de agua principales. En el caso de nuestro país, siempre que
exista un nivel de agua freático que varía con las lluvias a lo largo del año, el diseño debe
basarse en la lluvia máxima para un período de retorno superior a 100 años.
Para determinar las condiciones del nivel freático, debe establecerse un modelo
hidrológico basado en la geología y colocando piezómetros u otros elementos de
medición.
G. DISEÑO DE MUROS Un diseño adecuado de un muro de contención siempre de considerar los siguientes aspectos:
Los componentes estructurales del muro deben ser capaces de resistir los esfuerzos
de cortante y momentos internos generados por las presiones del suelo y las demás
cargas existentes.
El muro debe ser seguro contra cualquier posible desplazamiento lateral y/o
volcamiento.
Las presiones no deben sobrepasar la capacidad de soporte del piso de la fundación.
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Los asentamientos y deformaciones deben limitarse a valores tolerables por parte de
la estructura.
Debe impedirse la erosión del suelo por debajo y por delante del muro, sea por la
presencia de cuerpos de agua o por la escorrentía de las lluvias.
Debe eliminarse la posibilidad de presencia de presiones de agua detrás del muro.
El muro debe ser siempre estable ante deslizamientos de todo tipo.
i. Procedimiento
Primero debe conocerse la topografía del sitio y la altura necesaria del muro, luego debe
procederse a los siguientes pasos:
1. Escoger el tipo de muro a emplear.
2. Dibujar a escala la topografía en perfil de la sección típica del muro.
3. Dibujar un diagrama tentativo supuesto del posible muro sobre la topografía.
4. Una vez conocidas las propiedades del suelo y la teoría de presiones a
emplearse, se debe calcular las fuerzas activas y pasivas, su punto de aplicación
y dirección, de acuerdo al ángulo de fricción del suelo y la topografía arriba del
muro.
5. Calcular los factores de seguridad contra deslizamiento y volcamiento.
6. Si los factores no satisfacen, deben variarse las dimensiones propuestas para el
muro y realizar nuevamente el cálculo de presiones, hasta que los factores sean
satisfactorios.
7. Calcular las presiones sobre el piso y el factor de seguridad contra la capacidad
soportante.
8. Calcular los asentamientos y deformaciones.
9. Diseñar los sistemas contra socavación o erosión en el piso de la fundación y
contra la presencia de presiones de agua detrás del muro.
10. Por último, deben calcularse los valores de los momentos y esfuerzos internos
para proceder a reforzar o ampliar secciones del muro.
ii. Recomendaciones para el diseño
La carga en la base debe estar concentrada dentro del tercio medio para evitar
esfuerzos en tracción.
Para evitar volcamientos indeseados, el factor de seguridad debe ser igual o
mayor que 2.0.
Para evitar deslizamientos, el factor debe ser mayor o igual a 1.5.
El análisis estructural es similar al de una viga con cargas distribuidas.
No emplear suelos expansivos como suelos de rellenos, deberá conocerse
previamente el diseño y el tipo de suelo para relleno.
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1) MUROS FLEXIBLES: MUROS DE GAVIONES Los gaviones son elementos de forma prismática rectangular hecho con un enrejado metálico de
malla hexagonal de triple torsión, elaborada con alambre galvanizados. Tienen la finalidad de
contener, por su propio peso, rellenos de suelo u otros tipos de materiales como desechos de la
industria minera. Generalmente se rellenan con piedra de cantera o algún otro material similar
que se puede obtener en las cercanías de la obra a construir.
Estas estructuras se estabilizan por gravedad, son de gran resistencia, trabajan como un todo en
forma monolítica y son de gran flexibilidad. Por el tipo de rellenos no cohesivo no permite la
acumulación de tensiones por presión hidrostática, y por su permeabilidad permite el paso del
agua, esto hace que se alivien importantes tensiones que se acumulan detrás de los muros.
Asimismo, el uso de
estructuras flexibles de
gaviones ofrecen una
excelente y completa
solución tanto a las
necesidades ambientales
como a la estabilidad
estructural.
i. Descripción del sistema
Estos muros presentan algunas ventajas como su facilidad de construcción y
mantenimiento, la utilización de piedras disponibles en el sitio, se pueden construir
sobre fundaciones débiles, su estructura es flexible y son fáciles de demoler o reparar.
Los gaviones tipo caja son estructuras en forma de prisma rectangular fabricadas con
malla hexagonal de doble torsión producidas con alambres de bajo contenido de
carbono revestidos con recubrimiento Galfan® ó Zincados.
Son subdivididos en células por diafragmas cuya función es reforzar la estructura. Toda la
red, con excepción la de los diafragmas, es reforzada en sus extremidades por alambres
de diámetro mayor que el de la
malla, para fortalecer los
gaviones y facilitar su montaje e
instalación.
Los alambres que forman las
mallas de los gaviones, además
del revestimiento con
recubrimiento zinc aluminio
(Galfan®), también pueden ser
recubiertos por una vaina
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continua de PVC (clorito de polivinilo). Esto confiere una mejora a la protección contra la
corrosión y los torna eficientes para el uso en marinas, ambientes contaminados y/o
químicamente agresivos.
Características principales
- Los gaviones son subdivididos en celdas a
través de diafragmas.
- La malla debe de tener sus bordes reforzados
con alambres de mayor diámetro.
- En ambientes agresivos o condiciones críticas,
adicionalmente se debe utilizar revestimientos
en material plástico
(PVC).
ii. Criterios de Diseño
Los muros de gaviones son estructuras de gravedad y como tal, pueden ser
dimensionadas. De esta manera, la teoría de Rakine puede ser utilizado en la
determinación de empujes actuantes. Las características del suelo contenido deben ser
analizadas cuidadosamente, ya que de ellas dependen los resultados del análisis. Se debe
tratar que el talud sea generalmente un relleno, preferentemente ejecutado con
material no cohesivo y así es normal considerar como nula la cohesión del suelo. Para
suelos arcillosos, la cohesión disponible es mucho más pequeñas, pues más allá de la
compactación provocada durante la construcción, se debe recordar que el estado activo
se configura dentro de una situación de desplazamiento del macizo y así la situación más
crítica es la que corresponde a una condición drenada de la resistencia. De esta manera,
la envolvente de resistencia al corte es la envolvente drenada o efectiva, que
normalmente presenta una porción de cohesión muy pequeña.
Para el cálculo del empuje pasivo, que es la resistencia al desplazamiento horizontal
ofrecida por un terreno delante del muro, la teoría de Rankine es generalmente
suficiente. Solamente se debe considerar la disponibilidad del empuje pasivo al frente
del muro cuando es posible garantizar que no ocurren excavaciones o posible erosión del
suelo situado frente al muro.
iii. Estabilidad de la estructura de contención
Los tipos principales de rotura para los muros de gaviones son los siguientes:
21
Rotura Global. Deslizamiento a lo largo de una superficie de rotura que envuelve
a la estructura de contención.
Rotura de la fundación o asentamiento excesivos. Ocurre cuando las presiones
aplicadas por la estructura sobre el suelo de la fundación son superiores a su
capacidad de carga.
Deslizamiento sobre la base. Ocurre cuando la resistencia al deslizamiento a lo
largo de la base del muro, sumada al empuje pasivo disponible al frente de la
estructura, es insuficiente para neutralizar el efecto del empuje activo actuante.
Vuelco. Ocurre cuando el momento estabilizando del peso propio del muro en
relación al punto de vuelco es insuficiente para neutralizar el momento del
empuje activo.
Rotura interna de la estructura. Es la rotura de las secciones intermedias entre
los gaviones, puede ocurrir tanto por deslizamiento como por exceso de presión
normal.
iv. Fuerzas que actúan sobre la estructura
Las fuerzas que actúan sobre la estructura se pueden apreciar en la figura y son los
empujes activo y pasivo, el peso propio del muro y la reacción de la fundación, la cuál
puede ser descompuesta en una
fuerza normal y una fuerza
tangencial aplicadas a la base de la
estructura de contención.
Existen otras presiones o fuerzas
antes mencionadas como las
fuerzas debidas a sobrecargas,
presiones de agua, entre otras las
cuales deben considerarse
dependiendo de las condiciones del sitio.
22
v. Determinación de Empujes
La determinación de los empujes es el paso más importante en el análisis, normalmente
se utilizan las teorías de Rankine y Coulomb, ya que ofrecen valores realistas. La calidad
de los valores calculados va a depender de la correcta utilización de los parámetros de
suelo que componen el talud y las condiciones generales del problema.
Empuje Activo
Para la determinación de la superficie de aplicación hay dos casos a considerar:
En el primero (a) la geometría de
los gaviones es tal que la cara en
contacto con el talud es plana. En
el otro caso (b, c) los gaviones
están de manera que forman
escalones en la cara de contacto
con el macizo. En este caso es
necesario establecer un plano de
aplicación del empuje. En el caso de que la cama inferior de gaviones de la base se
extienda hacia adentro del talud, se debe adoptar como extremidad inferior de la
superficie de aplicación, un punto situado en la cara inferior de la base a una distancia
"h" de la proyección de la camada de gaviones inmediatamente arriba.
Los parámetros del suelo se pueden obtener a partir de ensayos "in situ", también se
puede estimar el valor del peso específico y el ángulo de fricción interno del material a
partir de tablas hechas para la zona geográfica en la que se trabaja.
Por la teoría de Coulomb, se supone que el suelo es homogéneo no cohesivo, la
superficie del macizo contenido es plana, el nivel freático está debajo de la base del
muro y no hay sobre cargas irregulares sobre el macizo.
Donde es el valor expuesto en la teoría de Coulomb. En casos donde exista una sobre
carga uniformemente distribuida sobre el talud, el empuje activo será:
23
Donde:
Y el punto de aplicación es:
Para el efecto sísmico, la carga está dada por:
Y se aplica a
de la base del muro.
Empuje Pasivo
Para suelos no cohesivos está determinado por la teoría de Rankine:
Con un punto de aplicación a un tercio de la altura "h" de la base del muro y si dirección
es paralela a la superficie del suelo frente al muro.
24
Para un suelo cohesivo, el empuje pasivo se determina de la siguiente manera:
√
Y el punto de aplicación estaría dado a partir de la base del muro para por (i=0):
√
Determinación del peso del muro
El peso del muro de gaviones se obtiene multiplicando "S" por el peso específico de los
gaviones o del material de relleno. Este peso específico es obtenido a partir del peso del
material ( ) que compone las piedras y la de la porosidad "n" del material:
Para el punto de aplicación del
peso, es necesaria la
determinación del centro de
gravedad mediante el cálculo del
centroide de la estructura debido
a le geometría.
Si la estructura se encontrará por
parcialmente sumergido, el peso específico para la parte del muro por debajo del agua se
determina:
( )
Para efectos sísmicos, ha de tomarse en cuenta dos fuerzas de inercia aplicadas en el
centro de gravedad "G", estas fuerzas corresponden a una fuerza vertical "V" y una
fuerza horizontal "H".
Donde "Ch" y "Cv" son los coeficientes de aceleración horizontal y vertical asociados al
lugar.
Estabilidad contra el deslizamiento
Las fuerzas que actúan sobre el muro para la estabilidad contra el deslizamiento son el
empuje activo, el empuje pasivo, el peso de la estructura, la fuerza normal "N" y de corte
"T" actuando sobre la base, además de las fuerzas sísmicas "H" y "V".
25
Las fuerzas "N" y "T" son determinas a partir del cálculo de equilibrio de fuerzas por
estática, descomponiendo en términos de senos y cosenos de los ángulos dados:
En ciertos casos, el valor de N se podrá tomar como el valor del peso del muro.
La fricción existente a lo largo de la base está dad por:
Donde " " es el ángulo de fricción del suelo de fundación y la base del muro y " " es la
adherencia. " " puede ser tomado como el ángulo de fricción del material y si existe un
geotextil, este ángulo se adopta como 0.9 el ángulo de fricción. El valor "a" se adopta en
un rango entre 0,6 a 0,7 la cohesión del material.
Si la base del muro se extiende más allá de la superficie de aplicación del empuje activos,
se debe adicionar una fuerza de anclaje "Ta" proporcionada por la extensión de la base.
Donde "La" es la longitud de anclaje y "H" es la profundidad de la porción de la base que
actúa como anclaje. Este valor de "Ta" está limitado por una fuerza de tracción
admisible de la malla.
Tracción admisible de la malla
26
Por tanto, el coeficiente de seguridad para la estabilización contra el deslizamiento
estará dado por:
Estabilidad contra el volcamiento
Al igual que el factor de seguridad de deslizamiento, este factor contra el volcamiento se
calcula mediante una relación de los momentos resistentes o estabilizantes entre los
momentos de vuelco o desestabilizantes.
Los momentos desestabilizadores son los momentos de la componente horizontal del
empuje activo "MEah" con respecto a su punto de giro y los momentos generados por las
componentes de la fuerza sísmica "MH" y "MV" con respecto a las coordenadas del centro
de gravedad del muro en relación al punto de giro.
Los momentos resistentes son aquellos originados por el peso propio de la estructura
"MP", el momento por el empuje pasivo "MPp" y el momento de la componente vertical
del empuje activo "MEav".
Materiales a utilizar en la construcción de un gavión
Los materiales a utilizar son Malla de Gavión, alambre de amarre, relleno de canastas,
relleno posterior al muro, geotextil entre la malla de gavión y el material de relleno o
suelo natural.
Existen dos tipos de malla de gaviones: Malla de gaviones Galfan y malla de gaviones
Zincados.
o Gaviones Galfan. Gaviones tipo caja, marca MACCAFERRI, confeccionados en
malla hexagonal de doble torsión, tipo 8x10 (ASTM A 975-97), a partir de alambre
de acero BCC (Bajo Contenido de Carbono), con diámetro de 2,40 mm, con
recubrimiento de Zn + 5% Al (aleación Galfan) en una cantidad superior a 244 g/m²
(ASTM A 856-98). Diafragmas o paños divisorios a cada metro. Alambre adicional
con las mismas características de la malla, con diámetro de 2.20 mm, para realizar
los amarres y la elaboración de las tensoras. La cantidad del mismo será de un 8%
sobre el peso de los gaviones de 1,00 m de altura y de 6% para los de 0,50 m de
altura.
o Gaviones Zincados. Gaviones tipo caja, marca MACCAFERRI, confeccionados en
malla hexagonal de doble torsión, tipo 8x10 (ASTM A 975-97), a partir de alambre
de acero BCC (Bajo Contenido de Carbono), con diámetro de 2,40 mm,
fuertemente galvanizado en una cantidad superior a 244 g/m² (ASTM A 641).
Diafragmas o paños divisorios a cada metro. Alambre adicional con las mismas
27
características de la malla, con diámetro de 2.20 mm, para realizar los amarres y la
elaboración de las tensoras. La cantidad del mismo será de un 8% sobre el peso de
los gaviones de 1,00 m de altura y de 6% para los de 0,50 m de altura.
Utilizan rede metálicas en malla hexagonal de doble torsión de alta durabilidad y
resistencia, que garantizan su comportamiento estructural.
Generalmente, los calibres de la malla de gaviones son:
o Gaviones de 2.4mm
o Gaviones de 2.7 mm
o Gaviones de 2.4mm + PVC
Las canastas de los gaviones presentar medidas
estándar, algunas de ellas son: (largo x ancho x alto)
o 2m x 1m x 1m (como se muestra en la figura)
o 1,5m x 1m x 1m
o 2m x 1m x 0,5m
o 1,5m x 1m x 0,5m
o 3m x 1m x 1m
o 4m x 1m x 1m
El alambre de amarre se puede encontrar en dos calibres principales:
o Alambre de amarre de
2.2mm
o Alambre de amarre de
2.0mm + PVC
Relleno de Canasta de
gavión
o Piedra bola o piedra de río.
Las dimensiones más
apropiadas para las piedras
de relleno varían de 1,5 hasta
28
2 veces la menor dimensión de la malla para evitar que estas se salgas.
o Piedra quebrada o piedra de tajo.
Relleno posterior al muro
Se utiliza siempre un material de relleno que se encuentre al 95% del ensayo Proctor
modificado.
Geotextil entre la malla de gavión y el material de relleno
El MacTex® es un geotextil no tejido de alta calidad, compuesto por filamentos
orientados aleatoriamente, interligados por el proceso de agujado. El MacTex® presenta
excelentes características técnicas y elevada resistencia a la degradación química y
biológica. Debido a su alta permeabilidad, el MacTex® permite el pasaje de fluidos a
través de su estructura, reteniendo las partículas del suelo, sustituyendo los tradicionales
filtros granulométricos. Debido a sus características, el MacTex® puede ser empleado en
obras de drenaje, rellenos sanitarios y en la repavimentación de calles y carreteras.
Entre sus principales características está la resistencia de degradación, la alta
permeabilidad, alta resistencia al punzonamiento y la disponibilidad en poliéster y
polipropileno.
Características de algunos factores de diseño a considerar
o Geometría del muro.
El talud superior de relleno no debe exceder los 30ᵒ, se debe verificar el nivel de
desplante de acuerdo a las condiciones de fundación. En taludes con fundación
inclinada, se debe dejar un mínimo de 1.0 m de terraza para evitar erosión y
garantizar un mínimo empuje activo.
o Forma.
Normalmente tiene una forma piramidal, puede iniciar a partir de una sección
cuadrada (H/B=1). Esta geometría depende de los resultados de estabilidad (FS).
o Inclinación y gradeado.
La inclinación debe estar entre los 6ᵒ a los 10ᵒ de acuerdo al análisis de
estabilidad. Las estructuras con gradas externas son preferibles porque son más
estables, permiten el fácil crecimiento de vegetación y sedimentación en las
gradas y son esteticamente agradables.
Condiciones en sitio
El suelo de fundación debe ser firme y siempre que se coloque una capa de sustitución,
hay que colocar un geotextil para evitar la contaminación de esta capa. Se debe
considerar la inclinación del talud natural y las condiciones de los diferentes estratos
(fundación, relleno, talud natural), así como las sobre cargas (externas y/o sísmicas).
29
Los muros se pueden plantear de dos manera diferentes:
o Secciones externas:
o Secciones internas:
Dependencia del rendimiento de un muro de gaviones
Dependerá de: ubicación, accesos, cantidad de trabajadores, altura del muro,
experiencia de los trabajadores, complicaciones del terreno (se estima que un peón con
experiencia coloca 2m3 de gavión diarios, el cual incluye armadura y relleno de canasta).
Los costos de mallas de gavión son aproximadamente los siguientes:
COSTO UNITARIO
Descripción de material Gaviones 2.4mm ZN Gaviones 2.7mm ZN Gaviones 2.4mm ZN + PVC
Gaviones ( 2x1x1 ) ¢22.984,000 ¢28.288,000 ¢29.224,000
Gaviones ( 1,5x1x1 ) ¢16.640,000 ¢20.748,000 ¢21.424,000
Gaviones ( 2x1x0,5 ) ¢15.132,000 ¢19.656,000 ¢20.696,000
Gaviones ( 1,5x1x0,5 ) ¢11.492,000 ¢14.716,000 ¢15.236,000
Gaviones ( 3x1x1 ) ¢30.368,000 ¢39.780,000 ¢41.964,000
Gaviones ( 4x1x1 ) ¢39.364,000 ¢21.220,000 ¢52.884,000
30
Se estima que 1m3 de gavión instalado en el área metropolitana, incluyendo la mano de
obra, material y piedra, ronda los ¢50 000.00 a ¢60 000.00.
2) MUROS ANCLADOS: MUROS DE ANCLAJE PRETENSADO Este método consiste en la colocación dentro del talud y muy por debajo de la superficie de falla
real o potencial de una serie de tirantes de acero en su punta y tensados por medio de gatos en
superficie. Estos anclajes generan fuerzas de compresión que aumentan la fricción y contrarrestan
la acción de fuerzas desestabilizadoras.
Los anclajes pre-tensionados se colocan
atravesando posibles superficies de
falla, anclando los bloques a suelos
resistentes, detrás de esta superficie. Si
los pernos de anclaje se instalan en un
ángulo menor que a la normal a la
superficie de falla, se crea
adicionalmente una fuerza resistente
que se opone al movimiento. La fuerza
requerida para el anclaje se minimiza
cuando la suma del ángulo de
buzamiento del ancla y el de la fractura
es igual al ángulo de fricción, por tanto
se ahorra gran cantidad de pernos
instalándolos en el ángulo óptimo en
lugar de colocarlos normales a la falla.
i. Descripción del sistema
Este tipo de anclaje consta de
una armadura metálica,
alojadas en taladros
perforados, cementados
31
mediante inyecciones de lechada de concreto. El elemento estructural es sometido a
tracción, generando un esfuerzo de anclaje el cual es soportado por la resistencia al
corte lateral en la zona de inyección en contacto con el terreno.
A través de la inyección, se forma un miembro empotrado en el extremo profundo del
tirante metálico, por lo tanto las fuerzas que actúan sobre el anclaje inyectado no se
transmiten al terreno en toda su longitud, sino solamente en tramo de la zona con
concreto bombeado.
ii. Cargas actuantes en muros anclados
Además de las fuerzas inducidas por las pruebas de ensayos de tensionamiento de las
anclas o la aplicación del pre-esfuerzo de trabajo de las mismas, existen otras fuerzas
que deben considerarse en el diseño de estas estructuras, entre las cuales están:
Cargas Laterales
o Esfuerzos laterales del suelo que dependen de la magnitud de las tensiones que se
desarrollan en el terreno.
o Presiones laterales causadas por sobrecargas que actúan en la superficie.
o Esfuerzos laterales inducidos por cargas concentradas como zapatas dentro de la
masa de suelo.
o Presión del agua.
Cargas Verticales
Esta incluye el peso de la estructura anclada y las reacciones producto de las cargas inter-
actuantes que alcanzan a los anclajes indirectamente.es por esto que debe verificarse la a
capacidad de cargas en el desplante de la estructura, para evitar la penetración del estrato
de apoyo. Además dentro de las cargas verticales deben considerarse las asociadas con las
operaciones de construcción.
32
Cargas dinámicas
Estas pueden incluir los efectos vibratorios de las actividades sísmicas o por el impacto de
grandes cargas de movimiento y que son de tal intensidad que deben ser consideradas en
el diseño.
Diagramas aparentes de la presión de tierra
Donde es el coeficiente de presión activa de tierras, es la resistencia al corte no
drenada y P es la presión de tierras
según Terzaghi y Peck.
Para muros con diferentes niveles de
anclaje activo, el diagrama se muestra
como el siguiente:
La presión de transformación que
estabiliza el corte según el diagrama
de presión apartes para muros con
diferentes niveles de anclase sería:
Donde "TL" es la carga total de presión
de tierra.
Cálculo de presión por sobrecarga
33
Donde "K" es el coeficiente de presión de tierras necesario para convertir la sobrecarga
vertical a horizontal y depende del estado del suelo a analizar, que a su vez depende del
factor de seguridad con el que se diseña el sistema.
iii. Diseño de los anclajes
Longitud de los anclajes
Debido a requerimientos de estabilidad no es recomendable utilizar anclas con longitud
inferior a 9m ni exceder los 45m ya que la eficiencia del anclaje después de 45m es
reducida y se vuelve antieconómico. La longitud de los anclajes está conformada por la
longitud libre "LL" y la longitud del bulbo "Lb".
La longitud del bulbo es la porción del
anclaje que contribuye a la estabilidad
del suelo retenido.
La teoría de Rankine es aplicada aquí
porque establece que debe asumirse a una
superficie critica de falla que pasa por el
fondo de la excavación y forma un ángulo de
45˚+Ɵ/2
o Angulo de inclinación de las anclas
Para determinar el ángulo de inclinación de los anclajes es deseable que por encima del
bulbo haya como mínimo 4.5 a 5m de sobrecarga de suelo para cables y de 3 a 4m para
barras, esta distancia debe ser mínima desde el centro del bulbo para lograr una adecuada
resistencia al suelo. No es recomendable utilizar con ángulos superiores a 45˚ con la
horizontal ya que se da una ligera disminución en la componente de la capacidad de carga
horizontal de la fuerza del anclaje por lo tanto las fuerzas resistentes del muro pueden
disminuir de manera significativa, además puede darse la penetración o punzonamiento
de la pantalla de revestimiento en el estrato de apoyo a causa del incremento de la
componente vertical de la fuerza de anclaje.
34
o Espaciamiento mínimo de las anclas en suelos
La distancia horizontal y vertical de las anclas de los suelos varían en función de requisitos
específicos del proyecto y las limitaciones, que pueden incluir necesidades de un sistema
muy rígidos (es decir, los anclajes muy próximos entre si)para controlar los movimientos
de la pared lateral, estructuras subterráneas existentes que pueden afectar la posición y la
inclinación de los anclajes, además el tipo de elementos de pared vertical seleccionada
para el diseño las cuales estas distancias son por lo general para ambas direcciones.
o Diámetro del agujero del anclaje
Esta parte depende principalmente del tamaño y del tipo de ancla, requerimientos de
protección contra la corrosión, procedimientos de perforación y de las condiciones del
suelo.es importante notar, sin embargo, que un rango común para diámetros de agujeros
perforados es de 75mm-150mm o (3-6 in).
iv. Proceso Constructivo
La construcción de los anclajes afecta en gran forma el comportamiento del ancla. Las
variaciones en el proceso de perforación e inyección tienen un efecto significativo. El
procedimiento básico de construcción consta de la perforación del hueco, insertar el
tendón con un alineamiento adecuado, inyectar el bulbo a la presión requerida, tensionar
el tendón y asegurar el tendón a la carga especificada.
Se recomienda utilizar equipos apropiados para causar un mínimo de alteraciones en la
zona de trabajo, además de no usar aditivos en la medida posible para la lechada,
especialmente aquellos que sean expansores y químico que contengan cloruro. Debe
evitarse la pérdida de lechada alrededor del tendón y debe tenerse en cuenta que la
colocación de las anclas puede afectar las estructuras de servicios cercanas y los derechos
legales de los vecinos cuyas estructuras o tierras puedan ser afectadas.
35
No se debe utilizar cemento con altos contenidos de alúmina, la expansión libre de la
mezcla a temperatura ambiente no debe exceder el 10%.
o Perforación
El proceso de perforación se inicia con un tubo de revestimiento de aproximadamente 10
a 20 centímetros de diámetro y una longitud para profundizar de 3 metros. Como en este
tubo quedan los residuos de perforación, se introduce un barreno que se encarga de
extraerlos y poder continuar roscando otro tramo del tubo y luego el barro, hasta alcanzar
la profundidad deseada.
Debe efectuarse con un correcto alineamiento y ángulo de inclinación según el diseño,
luego se extra la barra de perforación y se limpia el hueco con agua a presión.
Se hace un control de longitud mediante un sondeo con varilla de perforación. La
superficie de la perforación debe ser rugosa para una buena adherencia entre el suelo y el
concreto. El diámetro del hueco debe ser del tamaño que permita la inserción del perno
sin forzarlo. Una guía para la relación entre el diámetro del hueco y el diámetro del anclaje
es:
o Inyección
Se coloca el tirante en el hueco y se inyecta el concreto a presión hasta la zona de sello. Si
se produce un pérdida considerable de inyección, es necesario reducir la presión del
bombeo.
La parte inicial del tirante ha sido previamente aislada con el objeto de evitar su
cementación en el suelo, todo el cuerpo debe estar protegido contra la corrosión. El ancla
es fijada utilizando cemento Portland ordinario y agua que cumpla con la norma ASTM
C150. Al cumplir con esta normal, la lechada puede ser bombeada por el orificio del perno
y al mismo tiempo producir una resistencia alta, con un mínimo de exudación de agua de
mezcla. Es muy importante que se haga una buena mezcla del mortero donde la expansión
libre de la mezcla a temperatura ambiente no debe exceder el 10%, y la resistencia a los 7
días no debe ser menor a 25 MPa.
o Tensionado
El tensionado del ancla no debe realizarse hasta que se haya obtenido una resistencia
mínima de 25 MPa en la mezcla. El gato o equipo de tensionamiento debe tener una
capacidad para lo menos 1.8 veces la carga del diseño.
El método común de tensionamiento es utilizar un gato hidráulico con un hueco cilíndrico
central que permite aplicar la carga en forma precisa y axial.
La carga de aseguramiento se recomienda asegurarla con una carga definitiva del 70% al
80% de la carga de diseño.
36
o Diseño de las anclas
EL diseño más económico y eficiente es el que le permite al contratista seleccionar el tipo
de ancla, el método de construcción y la capacidad de anclaje. El diseñador debe
especificar la longitud mínima libre, la longitud mínima total y la capacidad de cada unidad
de anclaje.
Adicionalmente, el diseñador debe especificar la protección contra la corrosión y el
programa de verificación y monitoreo en campo. No es una buena práctica de la ingeniería
que el contratista o proveedor realice la totalidad del diseño, debido a que existe la
tendencia a darle prioridad al costo y las ganancias por encima de la estabilidad de la obra.
Tendones. Generalmente se utilizan dos tipos. Es importante tener en cuenta el nombre
del fabricante, diámetro, área de sección y peso unitario, resultados de ensayos de
propiedades mecánicas.
o Cables. Hilo de siete alambres con resistencia de tensión última de 1.86 MPa con
diámetro entre 0.5 y 0.6 pulgadas que cumpla con la especificación ASTM A 416. El
número de alambres y de hilo depende de la carga de diseño.
o Varillas de alta resistencia. Varilla con resistencia última a la tensión de 1.03 MPa
en diámetros variables entre 1.0 y 2.5 pulgadas de y que cumpla con la
especificación ASTM A-722
tipo II, o ASTM A416.
o Anclas especiales. También se
utilizan varillas de grado 60 o
75, anclas helicoidales y anclas
metálicas especiales.
Resistencia última. Los tendones se
diseñan para una carga de diseño
que no debe exceder el 60% de la
carga última a la tensión.
Protección contra la corrosión. La protección contra la corrosión es muy importante para
garantizar la larga vida de los anclajes, especialmente en los siguientes casos:
o Suelos y rocas que contienen cloruros.
o Cambios estacionales de la tabla de agua.
o Ambientes marinos.
o Arcillas saturadas con alto contenido de sulfatos.
o Exposición a corrientes eléctricas que genera acción galvánica.
o Paso a través de suelo de características químicas diferentes.
37
Tipos de suelos donde pueden colocarse bulbos de anclaje.
o En rocas. Todas las rocas se consideran aceptables para la colocación de bulbos. La
capacidad de carga de la roca varía con su estructura, resistencia a la compresión y
composición.
o En suelos granulares. La mayoría de los anclajes en suelos arenosos también han
tenido un comportamiento satisfactorio a largo plazo. Los anclajes permanentes
pueden instalarse en suelos no cohesivos con valores de penetración estándar N
mayores a 10 golpes por pie.
o En suelos arcillosos. Los bulbos de anclaje colocados en suelos cohesivos blando
han tenido con frecuencia problemas de capacidad a largo plazo. Se debe esperar
comportamiento no satisfactorio de los bulbos en suelos cohesivos con resistencia
a la compresión inconfinada menor de 96 kPa y resistencias remoldeadas menores
de 48kPa. En estos suelos se debe
esperar comportamiento de fatiga.
Tipos de bulbo.
o Inyección por gravedad.
o Inyección a presión.
o Inyección por lechada a presión por
etapas.
o Bulbo taladrado.
38
IX. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS Entre las ventajas comparativas para los muros de gaviones y los muros de anclaje pretensado
tenemos:
Muro de Gaviones Muro de Anclaje Pretensado
No precisan de cimentación
Son flexibles
Se adaptan fácilmente al terreno.
Son de alta permeabilidad por lo tanto tiene un buen sistema de drenaje natural.
Fácil diseño.
Montaje rápido.
Mano de obra no especializada.
Son durables.
Trabajan por gravedad.
Son relativamente económicos.
Utilizar la capacidad del suelo o roca donde se instalan como medio soportante
Ocupar menos espacios durante su instalación, comparado con sistemas equivalentes (puntales, taludes temporales)
Mantener la estabilidad de taludes y cortes en situaciones especiales donde constituyen la única solución posible
Su proceso constructivo se realiza de arriba para abajo, por lo que no se necesita rellenos artificiales o reduce el volumen de excavación.
No se necesitan de fundaciones para su realización
Reducción de la cantidad de concreto reforzado para su construcción, dado que el muro puede ser diseñado con anclajes cuyos espaciamientos sean pequeños.
Entre las desventajas podemos observar:
Muro de Gaviones Muro de Anclaje Pretensado
Las mallas de acero galvanizado se corren fácilmente en ambientes agresivos lo cual puede provocar la rotura del alambre y por ende condicionar el costo de la obra.
Al ser muros de gravedad, su espesor aumenta proporcionalmente con la altura, por lo que para grandes alturas, el volumen de piedra se dispara haciendo que su costo le haga perder competitividad.
La existencia de ambientes agresivos que puedan dañar los componentes del bulbo o el anclaje si estos no están protegidos adecuadamente.
Los muros anclados no son efectivos en suelos blandos ya que pueden causar deformaciones excesivas en la masa de suelo.
La zona donde son instalados los anclajes queda limitada al desarrollo en el futuro.
Pueden interferir con estructuras vecinas o adyacentes al lugar del proyecto.
39
Debido a su gran versatilidad y propiedades, los muros de gaviones son capaces de aplicarse en un
rango amplio de sectores:
Muros contención
Muros ecológicos
Saneamiento de vías férreas.
Contención de desprendimiento.
Estabilización de taludes.
Diques de corrección.
Estabilización de torrentes.
Corrección de cauces.
Defensas fluviales.
Barreras acústicas.
En el medió hidráulico los gaviones
metálicos constituyen una de las
soluciones más aplicadas. Se pueden
utilizar para diques de corrección,
defensas fluviales, encauzamientos
fluviales, entre otros. Son aptos para
todo tipo de emplazamientos, desde el
origen de los ríos hasta su
desembocadura en lagos, embalses o
en el mar. Los muros de anclaje
pretensado no son de gran utilidad en
este ámbito, ya que su proceso
constructivo necesita de tipo de talud natural para inyectar los anclajes con cables acero en un
núcleo de concreto. Si el tipo de talud tiene rasgos de arcillas expansivas, la presencia del agua se
convertiría en un factor sumamente crítico teniendo en cuenta que no son muros que tengan un
excelente drenaje de agua, además la acción de suministrar la carga al anclaje se tornaría
sumamente difícil.
En la aplicación como un muro de contención de taludes,
ambos sistemas son eficaces y la escogencia del tipo de
muro dependerá mucho de las condiciones del sitios, como
la necesidad de un buen drenaje debido a la alta frecuencia
de lluvias en el caso de gaviones, o el poco espacio para
colocar un base de muro amplia y la existencia de algún tipo
de sobre carga, como se muestra en las siguientes figuras,
que hace mejor la utilización de un muro de anclaje
pretensado.
40
Las dos fotografías anteriores
corresponden a un proyecto de
condominios ubicado Rohmoser, Pavas.
Como se puede observar, en la parte
superior existe una cuadra llena de casas
y el espaciamiento entre la pared de esa
casa y el muro de anclaje pretensado es
aproximadamente 2 metros. Por ende, la
construcción de un muro de gaviones no
era adecuada, ya que se requería
aumentar la geometría y forma del muro de gaviones para obtener la capacidad de soporte
requerida para el proyecto según el criterio del ingeniero encargado. Además, en la primera
fotografía se puede observar una malla de geotextil negro ubicada detrás del muro de concreto
para impedir el paso de impurezas en el suelo.
De acuerdo a las mediciones hechas en sitio y a las fotos tomadas, la altura máxima del muro (la
que se muestra debajo de la casa) estaba cerca de los 6,5 metros. En un muro de gaviones el costo
económico para muros de esta altura es menor que uno de anclaje pretensado debido a la
cantidad de acero y concreto a utilizar. Sin embargo, el muro de gaviones no cumplía con las
teorías de análisis de fuerzas y estabilidad contra deslizamiento y volcamiento.
En la fotografía anterior, se puede observar un distribución de anclajes de 2 metros
aproximadamente a lo largo y a lo alto entre cada uno, ubicándose la primera fila de anclaje a
unos 40 cm del suelo de fundación. Y se puede observar los drenajes respectivos intercalados en
los centros un cuadro de anclajes pretensados, separados a una distancia similar de 2 metros
aproximadamente, ubicándose la primera fila de drenaje a 1 metro del suelo aproximadamente.
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Otros aspectos, brindados por el ingeniero, son la profundidad del anclaje como los refuerzos del
muro de concreto. La profundidad ronda los 6 metros para cumplir con el análisis de fuerzas y el
muro poseen una malla de varillas horizontales #4 grado 60 y verticales #5 grado 60, con
respectivos amarres entre ellas por varillas #3 grado 60.
Otras de las ventajas, consta en el proceso de construcción, ya que para un muro de gaviones,
primero se necesita hacer una gaveta o excavación de terreno para la instalación mientras el muro
de anclaje pretensado se construye de arriba hacia abajo, lo cual permite la construcción de este
conforme se avanza en el proceso de excavación del talud. Esto permite resguardas los criterios de
no permitir daños o movimientos del terreno debido a deslizamientos que se puedan dar debido a
esas sobrecargas ya existentes, que además podría afectar en redes de servicios.
Sin embargo, los muros de gaviones también son una buena solución debido a sus ventajas antes
mencionadas en cuanto a proyecto de gran tamaño como se podrá observar en las siguientes
imágenes.
Otra de las ventajas en el proceso constructivo, es que los gaviones debido su versatilidad pueden
utilizarse como una solución ideal para proyectos de arquitectura y urbanismo como se puede ver
en la figura.
Conforme se avanza en el tiempo, cada vez
comienzan a surgir nuevas aplicaciones de los muros
de gaviones debido a su fácil proceso constructivo,
su alta permeabilidad (principalmente para obras
donde se tiene una condición crítica de agua) y otros
aspectos.
En algunos países de Europa, principalmente España,
se ha utilizada el uso de muros de gaviones con una
técnica de recubrimiento en los márgenes de ríos y
canales, así como para la protección de estribos de
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puentes, plataformas de cimentación y consolidación de taludes en carreteras y vías de
comunicación.
X. CONCLUSIONES Según el trabajo de investigación realizado, se puede determinar que tanto los muros
flexibles de gaviones como los muros de anclajes pretensados son sistemas sumamente
eficientes para la retención de taludes siempre y cuando se haga un diseño adecuado y se
respete las condiciones de terreno en sitio.
Por otro lado, se observó que el comportamiento de los gaviones de tipo activo en donde
soporta la presión del empuje de tierras lateras hacia afuera del muro, mientras el muro
de anclaje activo, la estructura posee un comportamiento pasivo, ya que se le introduce
una carga a los anclajes de acero que logra una fuerza de compresión, provocando un
movimiento del muro hacia el talud.
Asimismo, dependiendo de la función específica para la que se va a diseñar el soporte de
cargas, se pueden evaluar diferentes tipos de muros de contención. Para medios con
constante acecho del agua, es recomendable las estructuras de gaviones por su
versatilidad en el montajes, así como sus características natas de drenaje, sin embargo, al
ser un muro que trabaja por gravedad, conforme aumente la altura habrá que aumentar
su espesor lo cual para obras en donde no se cuenta con mucho espacio para trabajar,
podría resultar en una condición crítica.
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Para los muros de anclaje pretensado, se puede concluir que es sumamente importante un
buen diseño de la estructura, especialmente en especificación de los ángulos de anclaje, ya
que un buen diseño con los ángulos respectivos podría ayudar a reducir la carga de tensión
en el anclaje debido al ángulo de fricción entre la estructura y el suelo, y así ahorras
cantidades de acero importantes para la construcción.
En cuanto a los procesos de construcción, se puede observar que son procesos muy
diferentes, el de los gaviones consta de un proceso que en muchos casos es sencillo, sin la
utilización de mano de obra y maquinaria especializada, mientras que la pantalla de
anclaje activa necesita equipo especializado para el alineamiento de los pernos de
anclajes, así como para la perforación de los huecos y el bombeo de los bulbos de
concreto.
XI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS o Libro: “Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales”. Autor: Jaime Suárez
Díaz .Editorial: Universidad Industrial de Santander, UIS. Fecha de edición: 1998
(reimpresión abril de 2001). Capítulo 14: Muros de contención y anclaje.
o Informe: “Deslizamientos: Técnicas de Remediación”. Autor: Jaime Suárez. Capítulo 14:
Estructuras Ancladas Pretensadas.
o Catálogo de BIANCHINI INGENIERO. Gaviones: sistemas de corrección fluvial, muros de
contención y urbanismo.
o Informe sobre “Tierras armada, muros de contención y anclajes” de la facultad de
ingeniería de la Universidad de los Andes.
o Trabajo de presentación final: ”Análisis y Diseño de estructuras de retención de aplicación
reciente en El Salvador”, Universidad de El Salvador, Facultad de Ingeniería. Presentado
por: Guillermo Figueroa Díaz, Fredy Rodríguez Aguilar y Edwin Zelada Segundo.
