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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniería en Ciencias de la Tierra “Estudios y recomendaciones geotécnicas para la construcción y movimiento de tierra de los estribos del puente Chantaco en la vía Cuenca – Girón – Pasaje, tramo Lentag – San Francisco” TESINA DE GRADO Previo a la obtención del Título de: INGENIERO CIVIL Presentada por: Daniel Gerardo Campoverde Pérez Eyner Vicente Tomalá Bajaña GUAYAQUIL – ECUADOR AÑO: 2013
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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
Facultad de Ingeniería en Ciencias de la Tierra
“Estudios y recomendaciones geotécnicas para la construcción y
movimiento de tierra de los estribos del puente Chantaco en la vía
Cuenca – Girón – Pasaje, tramo Lentag – San Francisco”
TESINA DE GRADO
Previo a la obtención del Título de:
INGENIERO CIVIL
Presentada por:
Daniel Gerardo Campoverde Pérez
Eyner Vicente Tomalá Bajaña
GUAYAQUIL – ECUADOR
AÑO: 2013
AGRADECIMIENTOS
Mi profundo agradecimiento a
Dios por brindarme salud,
sabiduría y la fuerza necesaria
para elaborar este trabajo, a
mi amada familia por el apoyo
incondicional y el amor
brindado, al Ing. Eduardo
Santos, por su apoyo en el
avance y la culminación de la
tesina, al Ing. Julián Coronel
P. por facilitarme la
información necesaria para
elaborar el contenido de la
tesina, por ser mi respaldo y
apoyo, a la Escuela Superior
Politécnica del Litoral por
acogerme como segundo
hogar durante mi formación
profesional.
Daniel Campoverde Pérez
AGRADECIMIENTOS
Mi eterno agradecimiento es al
dador de toda sabiduría e
inteligencia quien siempre
estuvo y está a mi lado, aquel
que nunca permitió que me
rindiera y desistiera de mi
meta, aquel que puso a la
mejor familia en mi camino,
que me permitió conocer
amigos, compañeros y
docentes quienes de una u
otra manera han aportado
extraordinariamente en mi
formación tanto personal como
profesional que sigue
llenándome de bendiciones,
gracias mi Señor Dios
Todopoderoso.
Eyner Tomalá Bajaña
DEDICATORIA
El esfuerzo y dedicación
requeridos para la elaboración
de este trabajo está dedicado
a Dios, a mi familia, el Sr.
Gerardo Campoverde, la Sra.
Gladys Pérez y Héctor
Campoverde, por ser el apoyo
constante y gran parte de mi
motivación, una especial
dedicatoria a mi abuela, la Sra.
Melba Jurado, por su amor y
apoyo a la distancia; a una
persona muy importante en mi
vida, la Srta. Erika Villa y a mi
amigo eterno, el finado Ing.
Fabricio Salazar Yánez.
Daniel Campoverde Pérez
DEDICATORIA
El presente trabajo se lo
quiero dedicar exclusivamente
a mi familia y a la memoria de
mi padre a quienes amo,
respeto, admiro
profundamente y espero
nunca decepcionar, a mi padre
Adrian Tomalá, a mi madre
Elida Bajaña y a mis hermanos
y hermanas Tanya, Edicto,
Tatiana, Kleber y Javier por
ser siempre mi razón de ser.
Eyner Tomalá Bajaña
TRIBUNAL DE GRADUACIÓN
____________________
Ing. Eduardo Santos Baquerizo DIRECTOR DE TESIS
____________________
Ing. Miguel Ángel Chávez DELEGADO DEL DECANO
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de esta Tesis de
Grado, me corresponde exclusivamente; y el patrimonio
intelectual de la misma a la Escuela Superior Politécnica
del Litoral”.
(Reglamento de Graduación de la ESPOL).
___________________________ ___________________________
Daniel Campoverde P.
Eyner Tomalá B.
RESUMEN
El presente contenido está orientado al cálculo de la capacidad admisible de
los suelos de cimentación, a la estabilidad externa de la estructura a
cimentar, de los análisis de asentamientos que presentará dicha estructura,
al pre dimensionamiento del elemento, usando los parámetros mencionados,
todo esto mediante un procedimiento que se resume a continuación.
La estructura a construirse será el puente sobre el río Chantaco en la
Provincia de Azuay, para soportar el sistema viga-losa, es necesario diseñar
correctamente las dimensiones de los estribos a cada lado del puente de 20
m de luz, para realizar este cálculo es necesario obtener las características y
propiedades geomecánicas de los suelos de cimentación.
Para obtener dichas propiedades, se realizaron sondeos en la zona de los
estribos del puente, haciendo dos perforaciones (una por cada estribo).
Una vez extraídos los especímenes de suelo, se procedió en el laboratorio de
Mecánica de Suelos de la compañía Consulnac. Cía. Ltda. a realizar los
ensayos necesarios (Contenido de humedad natural, granulometría, Límites
de Atterberg, etc), ensayos con base a la American Society for Testing and
Materials (ASTM) para obtener parámetros que en conjunto servirán para ser
aplicados a diversas teorías de diversos autores que han realizado aportes
muy valiosos a este campo de la ingeniería, para así realizar la debida
caracterización que consiste en dar a cada material obtenidos de las
perforaciones, las propiedades geomecánicas que representarán la
resistencia y capacidad del mismo ante las cargas a las cuales serán
sometidos. Además en el proceso de exploración de suelo y prospección
geotécnica se realizaron ensayo de geofísica como refracción sísmica y
resistividad eléctrica, ya que al ser el suelo un material muy variable en
cuanto a sus características, es necesaria la mayor cantidad de información y
ensayos para acercarse de manera más precisa a la realidad.
Una vez obtenidas las características del suelo en la zona de los estribos, se
puede obtener un perfil estratigráfico que definirá los estratos sobre los
cuales estarán cimentados los estribos. Luego con la ayuda de las teorías de
capacidad admisible y asentamiento, se utilizó el software GEO-5 para
determinar la capacidad admisible última y los asentamientos elásticos o
también denominados inmediatos para los posibles anchos de zapata que
tendrá cada estribo obteniendo de esta manera la curva capacidad admisible
última (qu) Vs. Ancho de zapata (B), a su vez también se obtuvo la curva
Asentamiento (Si) Vs. Ancho de zapata (B), evaluando de esta manera para
que ancho de zapata la capacidad admisible del suelo es capaz de soportar
la presión de descarga. Con este dato se realizaron las recomendaciones de
los taludes de corte, maquinaria a emplearse y el esquema de movimiento de
tierra para la construcción de los estribos del puente sobre el río Chantaco.
Índice general
CAPITULO 1 ................................................................................................... 1
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1
CAPITULO 2 ................................................................................................... 3
2. UBICACIÓN DEL SITIO DE ESTUDIO .................................................... 3
CAPITULO 3 ................................................................................................... 6
3. PROSPECCIÓN GEOTÉCNICA: EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO ...... 6
3.1 Propósito de la exploración del subsuelo .............................................. 6
3.2 Programa de exploración del subsuelo .................................................. 7
3.2.1 Recolección de información preliminar ............................................ 7
3.2.2 Reconocimiento ............................................................................... 8
3.2.3 Investigación del sitio .................................................................... 12
3.3 Perforaciones exploratorias en campo. ............................................... 16
3.3.1 Perforación con barrena ................................................................ 16
3.3.2 Perforación con lavado. ................................................................. 19
3.3.3 Perforación rotatoria. ..................................................................... 20
3.3.4 Perforación por percusión. ............................................................ 21
3.4 Procedimiento para muestreo del suelo. ............................................. 22
CAPITULO 4 ................................................................................................. 29
4. DESCRIPCIÓN DEL SUBSUELO .......................................................... 29
CAPITULO 5 ................................................................................................. 33
5. PROSPECCIONES GEOFÍSICAS ......................................................... 33
5.1 Exploración geofísica ........................................................................... 33
5.1.1 Sondeo por refracción sísmica ...................................................... 33
5.1.2 Sondeo por resistividad eléctrica ................................................... 37
5.2 GENERALIDADES .............................................................................. 42
5.3 Interpretación de resultados de sísmica de refracción ......................... 44
CAPITULO 6 ................................................................................................. 52
6. Nivel Freático ......................................................................................... 52
CAPITULO 7 ................................................................................................. 53
7. Ensayos de Laboratorio ......................................................................... 53
CAPITULO 8 ................................................................................................. 54
8. ANÁLISIS DE CAPACIDAD PORTANTE Y RECOMENDACIONES ...... 54
CAPITULO 9 ................................................................................................. 65
9. ANÁLISIS DE ASENTAMIENTOS .......................................................... 65
9.1 Asentamientos Inmediatos (primarios) ................................................ 65
9.2 Asentamientos por Consolidación ...................................................... 69
CAPITULO 10 ............................................................................................... 71
10. EMPUJE DE TIERRAS. ...................................................................... 71
11.1 Tipos de Excavación .......................................................................... 85
11.1.1 Excavación a Cielo Abierto. ......................................................... 85
11.2 Equipo Caminero para el Movimiento de Tierras ............................... 86
11.2.1 Excavadora ................................................................................. 87
11.2.2 Tractores con hoja de Empuje ..................................................... 90
11.2.3 Volquetas (Unidades de Acarreo o Transporte) ......................... 95
11.3 Excavación y Proceso Constructivo ................................................... 99
11.3.1 Excavación para la construcción del estribo. ............................ 104
11.3.2 Sistema de entibado, usos, propiedades y características. ...... 109
11.3.3 Desalojo del material. ............................................................... 118
11.3.4 Rendimiento de equipos. .......................................................... 119
11.3.4.1 Rendimiento de una Excavadora........................................... 121
11.3.4.2 Rendimiento de una Volqueta ................................................ 122
11.3.5 Calculo del Rendimiento para la excavación de los estribos del
Puente sobre el Rio Chantaco. ............................................................. 123
CAPITULO 12 ............................................................................................. 126
12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................... 126
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA ............................................................. 128
ABREVIATURAS
Símbolo Descripción
ASTM American Society for testing and Materials.
Cía. Ltda. Compañía Limitada
qult Capacidad admisible última del suelo
qu Resistencia a la compresión simple uniaxial
B Ancho de la zapata de cimentación
Si Asentamiento inmediato o elástico
Km. Kilómetro (unidad de longitud)
m. Metros (unidad de longitud)
t. Toneladas fuerza (unidad de peso)
UTM Universal Trasversal Mercator
E. Refiérase al dato este de una coordenada UTM
N. Refiérase al dato norte de una coordenada UTM
WGS 84 World Geodesic System del año 1984
Δσ’ Variación o incremento del esfuerzo efectivo
Δσo Variación o incremento del esfuerzo total
q. Esfuerzo neto que descarga una estructura
D. Refiérase a cierta profundidad de análisis
N Número de golpes del ensayo SPT
mm. Milímetros (unidad de longitud)
% Porcentaje
cm. Centímetros (unidad de longitud)
” Pulgadas (unidad de longitud)
N60 N de campo corregido
(N1)60 N60 corregido
atm. Atmósfera (unidad de presión)
CE Factor de corrección de energía
CR Factor de corrección de longitud de varilla
CB Factor de corrección de diámetro de agujero
CS Factor de corrección de revestimiento
CA Factor de corrección del barreno
CBF Factor de corrección de frecuencia de golpes
CC Factor de corrección de amortiguamiento
SPT Estándar Penetración Test
ER Energía del martillo
Lbs. Libras (unidad de masa y/o peso)
pulg. Refiérase a pulgadas (unidad de longitud)
et al. Y los demás.
Ángulo de fricción interna de los suelos
IP Índice de plasticidad del suelo
E Módulo de elasticidad
Dr Densidad relativa en suelos granulares
σ´ Esfuerzo efectivo a cierta profundidad
Pa Presión atmosférica
Su Resistencia al cortante no drenado en suelos.
w% Contenido de humedad de una muestra de suelo
T-B Muestra tomada por un Tubo Shelby
KPa Kilopascales (unidad de presión o esfuerzo)
γ Peso unitario del suelo
g Aceleración de la gravedad
μs Módulo de poisson del suelo
Vp. Velocidad de la onda de compresión
Vs. Velocidad de la onda de corte
ρ Resistividad eléctrica de los suelos
SRS Sondeo de refracción sísmica
SEV Sondeo eléctrico vertical
m/s Metros por segundo (unidad de velocidad)
Ohm Ohmios (unidad de resistencia eléctrica)
Gdin Módulo de corte dinámico del suelo
Edin Módulo de elasticidad dinámico del suelo
Df Profundidad de desplante de la estructura
Sc, Sd, Sb Coeficientes de forma según Brinch-Hansen
dc, dd, db Coeficientes de influencia del Df
ic, id, ib Coeficiente de inclinación de carga vertical
bc, bd, bb Coeficiente de inclinación del talud del TN.
L. Refiérase a la longitud de la zapata
β Ángulo de inclinación del terreno
Eoed Módulo edométrico
Edef Módulo de deformación
OCR Razón de sobreconsolidación
Ka Coeficiente de empuje activo
Kp Coeficiente de empuje pasivo
A Coeficiente de aceleración sísmica
Kh Coeficiente sísmico horizontal
Mres Momentos que resisten al volteo
Movr Momentos que aportan al volteo
FS Factor de seguridad
m3 Metros cúbicos (unidad de volumen)
HP Horse Power (unidad de potencia)
Km/h Kilómetros por hora (unidad de velocidad)
m.s.n.m Metros sobre el nivel del mar
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Figura No. 1 Vista en planta del trayecto vial existente, trayecto vial
propuesto y la ubicación del puente sobre el río Chantaco…………………….4
Figura No. 2 Vista del diseño geométrico vertical en el tramo del puente
sobre el río Chantaco……………………………………………………………….5
Figura No. 3 Depósito de material aluvial en el cauce del río Chantaco,
conformado en su mayoría por cantos rodados decimétricos……………......10
Figura No. 4 Vista lateral sobre el lado izquierdo del puente existente sobre
el río Chantaco. Nótese la presencia de una pequeña edificación cerca del
estribo izquierdo del lado derecho de la vía…………………………………….11
Figura No. 5 Material aluvial en el cauce sobre el lado derecho del río
Chantaco. Obsérvese la existencia de casas al pie del cauce del río
Chantaco……………………………………………………………………………12
Figura No. 6 Esquema para la determinación de la profundidad mínima de
exploración…………………………………………………………………………14
Figura No. 7 Bulbos de presión según la teoría de Boussinesq, esfuerzo a
distintas profundidades en función del ancho del cimiento…………………..15
Figura No. 8 Herramientas manuales para realizar barrenos: pala posteadora
y barrena
helicoidal……………………………………………………………………………17
Figura No. 9 Barrena helicoidal de perforación continua…………………….18
Figura No. 10 Esquema de la perforación con
lavado…………………………………………………………………………….....20
Figura No. 11 Trépano
tricónico……………………………………………….........................................21
Figura No. 12 Trépano barril empleado para rocas……………………..……22
Figura No. 13 Ilustración de la ejecución de la sísmica de
refracción……................................................................................................34
Figura No. 14 Colocación de instrumentos para ensayo de refracción
sísmica……………………………………………………………………………...37
Figura No. 15 Método de Wenner para resistividad
eléctrica……………………………………………………………………………..40
Figura No. 16 Telurómetro empleado en la resistividad
eléctrica………...…………………………………………………………………..40
Figura No. 17 Montaje del equipo para realizar el sondeo de resistividad
eléctrica…………………………………………………………………………….41
Figura No. 18 Equipo empleado para el sondeo de resistividad eléctrica…41
Figura No. 19 Campaña de exploración geofísica efectuada en los estribos
del puente existente sobre el río Chantaco……………………………………42
Figura No. 20 Línea de refracción sísmica SRS-220, alineada al perfil
transversal de la vía, del lado derecho del puente……………………………47
Figura No. 21 Línea de refracción sísmica SRS-221, alineado al perfil
transversal de la vía, del lado izquierdo del puente……………………………47
Figura No. 22 Línea de refracción sísmica SRS-221, alineada al perfil
transversal de la vía, del lado derecho del puente…………………………….48
Figura No. 23 Línea de refracción sísmica SRS-221, alineada al perfil
transversal de la vía, del lado izquierdo del puente…………………………...48
Figura No. 24 Línea de refracción sísmica SRS-224, alineada al perfil
longitudinal de la vía, del lado izquierdo del puente…………………………..49
Figura No. 25 Línea de sondeo eléctrico vertical SEV-220, alineada al perfil
transversal de la vía, del lado derecho del puente…………………………….49
Figura No. 26 Línea de sondeo eléctrico vertical SEV-223, alineada al perfil
transversal de la vía, del lado izquierdo del puente…………………………..50
Figura No. 27 Consideraciones para ángulo de inclinación de la carga,
inclinación de la base e inclinación de talud, para la ecuación de Vésic……56
Figura No. 28 Modelo utilizado para determinar la capacidad portante de los
suelos de cimentación del estribo derecho……………………………………..59
Figura No. 29 Modelo utilizado para determinar la capacidad portante de los
suelos de cimentación del estribo izquierdo……………………………………59
Figura No. 30 Esfuerzos debajo de la zapata del estribo derecho debidos al
peso de descarga y el peso propio de los suelos……………………………..67
Figura No. 31 Esfuerzos debajo de la zapata del estribo izquierdo debidos al
peso de descarga y el peso propio de los suelos………………………….….68
Figura No. 32 Resistencia sin drenaje normalizada con el esfuerzo vertical
efectivo, vs. La razón de preconsolidación OCR para 6 arcillas con
35%<LL<95% (Ladd, 1981)………………………………………………………70
Figura No. 33 Esquema para la determinación del factor de seguridad
contra volteo y deslizamiento para el estribo derecho del puente sobre el río
Chantaco……………………………………………………………………………76
Figura No. 34 Esquema para la determinación del factor de seguridad contra
volteo y deslizamiento para el estribo izquierdo del puente sobre el río
Chantaco……………………………………………………………………………77
Figura No. 35 Fuerzas actuantes en el muro del estribo derecho calculadas
con el programa Geo-5……………………………………………………………79
Figura No. 36 Fuerzas actuantes en el muro del estribo izquierdo calculadas
con el programa Geo-5……………………………………………………80
Figura No. 37 Excavadora sobre
Ruedas……………………………………..............................................88
Figura No. 38 Excavadora sobre Orugas o
Cadenas…………………………………………………………………………….88
Figura No. 39 Partes de tractor con hoja de
empuje………………………………………………………………………………91
Figura No. 40 Tiltdozer,
Angledozer………………………………………………………………………….94
Figura No. 41 Operaciones de la
Volqueta…………………………………………………………………………….95
Figura No. 42 Partes de la
Volqueta…………………………………………………………………………….96
Figura No. 43 Camión de Transporte, Tracto Camión, Camión
Volqueta…………………………………………………………………………….97
Figura No. 44 Camión Articulado
……………………………………………………………………………………….97
Figura No. 45 Camión
Trunk………………………………………………………………………………..98
Figura No. 46 Planta del tablero del Puente sobre el Río
Chantaco……………………………………………………………………………99
Figura No. 47 Esquema de escalonamiento y bombeo durante la excavación
para un estribo del Puente………………………………………………………102
Figura No. 48 Vista transvesal del área de excavación en el estribo derecho
del Puente sobre el Río Chantaco……………………………………………..103
Figura No. 49 Vista en planta de la ubicación de los estribos derecho e
izquierdo, donde se realizará la excavación………………………………….105
Figura No. 50 Vista en perfil de la ubicación de los estribos derecho e
izquierdo, donde se realizará la excavación………………………………….106
Figura No. 51 Vista de la excavadora Caterpillar 320, para efectuar la
excavación en la zona de los estribos del puente…………………….……..107
Figura No. 52 Excavación durante la construcción de la cimentación...….108
Figura No. 53 Secuencia de excavación realizando bermas hasta llegar a la
cota de cimentación………………………………..….…………………………109
Figura No. 54 Entibado con tablestacados…………………………………...112
Figura No. 55 Interconexión de pestañas en tablestacas…………….…….112 Figura No. 56 Geometría de los perfiles típicos de tablestacados…………113 Figura No. 57 Sistema de tablestaca para una estructura rellenada………116 Figura No. 58 Sistema de tablestaca para una estructura dragada……….116 Figura No. 59 Colocación del tablestacado con ayuda de la excavadora..117 Figura No. 60 Entibado mediante tablestacado……………..………………117 Figura No. 61 Depósito del material de desalojo en la volqueta…………..118
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla I Factor de corrección de sobre carga (CN). Según Carter y Bentley
(1991)………………………………………………………………………….……25
Tabla II Factor de corrección de energía (CE) (Seed et al.) (1985)…….......26
Tabla III Correlaciones utilizadas para obtener valores de ángulo de fricción
en suelos granulares………………………………………………………………27
Tabla IV Correlaciones utilizadas para obtener valores de resistencia al
esfuerzo cortante no drenado en suelos cohesivos (Su)………………...……28
Tabla V Grado de potencial expansivo para suelos cohesivos en función del
índice de plasticidad…………………………………………………………........30
Tabla VI Intervalo de la velocidad de las ondas P en diferentes suelos y
rocas.…………………………………………………………………………….....36
Tabla VII Valores representativos de la resistividad………….………...........38 Tabla VIII Propiedades adoptadas para la determinación de los asentamientos instantáneos en el estribo derecho…………………………....51 Tabla IX Propiedades adoptadas para la determinación de los asentamientos instantáneos en el estribo izquierdo…………………………...........................51 Tabla X Propiedades adoptadas para la determinación de la capacidad portante para el estribo derecho…………………………………………………61 Tabla XI Propiedades adoptadas para la determinación de la capacidad portante para el estribo izquierdo………………………………………………..63 Tabla XII Capacidad de carga última y admisibles calculado para la zapata del estribo derecho…………………………………………………….…………..64 Tabla XIII Capacidad de carga última y admisibles calculado para la zapata del estribo izquierdo……………………………………………………………….64 Tabla XIV Asentamiento elástico para el estribo derecho………….………..68 Tabla XV Asentamiento elástico para el estribo izquierdo………….…………………………….…………………………………..69Tabla XVI Propiedades de los suelos para los cálculos de estabilidad de los estribos derecho e izquierdo del puente sobre el río Chantaco…….………..78 Tabla XVII Esfuerzos admisibles de diseño por flexión para las tablestacas…..……………………………………………………………………114 Tabla XVIII Coeficientes de Eficiencia del Cucharon para una Excavadora dependiendo del tipo de Material a excavar…………………………………..121 Tabla XIX Coeficientes de Transformación del Cucharon para una Excavadora dependiendo de la clase de terreno a excavar………………..121 Tabla XX Tiempo del Ciclo para una Excavadora considerando el tipo de material……………………………………………………………………………122
CAPITULO 1
1. INTRODUCCIÓN
El Ministerio de Transporte y Obras Públicas, dentro de su política de
Rehabilitación de las carreteras de la red vial principal del país, ha
establecido y programado que la Vía Cuenca – Pasaje - Machala, tramo
Lentag - Río San Francisco, de 43 Km. de longitud aproximada, ubicada
en la provincia del Azuay, debe ser rehabilitada. Debido a la ampliación a
cuatro carriles que se va a realizar a esta vía, este puente será
desplazado, por lo que tendrá el aumento de dos carriles.
La vía Lentag – San Francisco ampliada a cuatro carriles tendrá 24.60 m
de ancho, incluyendo pequeñas veredas a los costados, y un carril de
ciclovía en el lado izquierdo. Considerando que este puente tendrá 20 m
de longitud, se estima que las descargas verticales de estribos estarán
posiblemente entre las 300 y 450 t, incluyendo cargas muertas, cargas
vivas y cargas sísmicas.
Para realizar el diseño integral de este puente, se debieron ejecutar
perforaciones en suelo y roca, ensayos de laboratorio, sísmica de
refracción, sondeos eléctricos verticales, reconocimiento geológico del
terreno, análisis de capacidad portante y análisis de asentamientos
2
requeridos para el diseño y construcción del mismo. Este informe
presenta los resultados de todos los trabajos de campo, laboratorio y
oficina realizados.
CAPITULO 2
2. UBICACIÓN DEL SITIO DE ESTUDIO
Luego de realizarse el diseño geométrico (horizontal y vertical) de la vía
Cuenca-Girón-Pasaje, en el tramo Lentag-San Francisco en la provincia
del Azuay, el puente está proyectado estará entre las abscisas
60+138.780 y 60+158.780, y las coordenadas UTM serán 691687 m E y
9639196 m N, según el Sistema Geodésico Mundial de 1984 (WGS 84)
en la zona 17 Sur, que es la correspondiente al sitio en estudio. El puente
sobre el río Chantaco tendrá 20 metros de longitud.
En la Figura No. 1 se observa el trayecto vial actual (color gris) y el
trayecto vial proyectado (con la ampliación a 4 carriles, y una ciclovía),
además el puente representado de color magenta.
En la Figura No. 2 se observa el diseño geométrico vertical en la zona del
puente sobre el río Chantaco, donde se aprecia el perfil de terreno natural
de color café y la rasante de color negro.
4
Figura No. 1: Vista en planta del trayecto vial existente, trayecto vial proyectado y la ubicación del puente sobre el río Chantaco.
5
Figura No.2: Vista del diseño geométrico vertical en el tramo del puente sobre el río Chantaco.
CAPITULO 3
3. PROSPECCIÓN GEOTÉCNICA: EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO
3.1 Propósito de la exploración del subsuelo
El proceso de identificar las capas de depósitos que subyacen a una
estructura propuesta y sus características físicas generalmente se
denomina exploración del subsuelo. Su propósito es obtener
información que ayude al ingeniero geotécnico en:
- Seleccionar el tipo y profundidad de la cimentación adecuada para
una estructura dada.
- Evaluar la capacidad de carga de la cimentación.
- Estimar el asentamiento probable de la estructura.
- Detectar problemas potenciales de la cimentación (por ejemplo,
suelo expansivo, suelo colapsable, relleno sanitario, etc.)
- Determinar la posición del nivel freático.
- Predecir el empuje lateral de tierra en estructuras como muros de
retención, tablestacados y cortes arriostrados.
- Establecer métodos de construcción para condiciones cambiantes
del subsuelo.
(Das, 2006)
7
3.2 Programa de exploración del subsuelo
La exploración del subsuelo comprende varias etapas, entre ellas la
recolección de información preliminar, el reconocimiento y la
investigación del sitio.
3.2.1Recolección de información preliminar
Esta etapa incluye la obtención de información respecto al tipo de
estructura por construir y su uso general. Para la construcción de un
puente requiere la determinación de la longitud del claro y las cargas en
los estribos.
Una idea general de la topografía y del tipo de suelo que se encontrará
cerca y alrededor del sitio propuesto que se podrían obtener de las
siguientes fuentes:
- Mapas de levantamientos geológicos para conocer las formaciones
geológicas del sitio de estudio.
- Reportes de suelos en estudios anteriores (en caso de haberlos).
- Mapas agronómicos.
- Información hidrológica del río en estudio (Río Chantaco).
- Manuales sobre suelos.
La información obtenida a partir de estas fuentes es sumamente útil en
la planeación de una investigación de sitio. En algunos casos se logran
8
ahorros considerables si se detectan de antemano problemas que
pueden encontrarse posteriormente en el programa de exploración.
3.2.2 Reconocimiento
El Ingeniero siempre debe hacer una inspección visual del sitio para
obtener información sobre:
- La topografía general del sitio, la posible existencia de zanjas de
drenado, tiraderos de escombros abandonados y otros materiales
presentes en el sitio. Además, la evidencia de flujo plástico en
taludes y grietas de contracción profundas y amplias a intervalos
regularmente espaciados pueden ser indicativos de suelos
expansivos.
- La estratificación del suelo en cortes profundos, como los que se
realizan para la construcción de carreteras.
- El tipo de vegetación en el sitio, que indique la naturaleza del suelo.
(Requiere de un estudio más profundo sobre el tema).
- Huellas de las crecidas de agua en puentes cercanos (en caso de
existirlo).
- Los niveles de agua subterránea, que se determinan por
observación de pozos cercanos.
- Los tipos de construcciones vecinas y la existencia de grietas en
muros u otros problemas.
9
La naturaleza de la estratificación y las propiedades físicas de suelos
vecinos también se obtienen de reportes disponibles de la exploración
del suelo para estructuras existentes.
(Das, 2006)
Para el caso de estudio, se realizaron visitas de campo observando la
topografía que por el hecho de ser parte interandina, se caracteriza por
ser un terreno montañoso de relieve variable, posteriormente se
mostrará el perfil del diseño geométrico vertical en el tramo del puente
donde se destaca la quebrada del Río Chantaco.
Resultado de las visitas de campo, se pudo constatar la presencia de
material aluvial en el cauce del río, que se presume ha sido arrastrado
por la corriente desde aguas arriba.
En la Figura No. 3 se observa el material aluvial que es encuentra
depositado en el río Chantaco.
10
Figura No. 3: Depósito de material aluvial en el cauce del río Chantaco, conformado en su mayoría por cantos rodados decimétricos.
Es evidente que se trata de un depósito aluvial, ya que éstos se
caracterizan por la acción de corrientes de agua y ríos, generalmente
se dividen en dos categorías:
- Depósitos de corrientes entrelazadas, que son las de flujo rápido
y gradiente pronunciado. Son altamente erosivas y arrastran
grandes cantidades de sedimentos. Debido a la elevada carga de
fondo, un cambio pequeño en la velocidad del flujo ocasionará el
depósito de sedimentos generalmente caracterizado por gravas,
arenas y limos. Debido al flujo rápido, se arrastran grandes
fragmentos de rocas que por la acción de la fricción del choque
11
entre ellos se redondean y toman formas esféricas, convirtiéndose
en cantos rodados como se muestra en la Figura No. 3.
- Depósitos de cinturones meándricos, que se da cuando el flujo
corre describiendo una gran cantidad de curvas, que no es el caso
del cauce del río Chantaco.
Se observaron edificaciones muy próximas al lugar donde se ubicarán
los estribos del puente proyectado, tal como se muestra en las Figuras
No. 4 y No. 5.
Figura No: 4: Vista lateral sobre el lado izquierdo del puente existente sobre el río Chantaco. Nótese la presencia de una pequeña edificación cerca del estribo
izquierdo del lado derecho de la vía.
12
Figura No. 5: Material aluvial en el cauce sobre el lado derecho del río Chantaco. Obsérvese la existencia de casas al pie del cauce del río Chantaco.
El puente existente sobre el río Chantaco se lo observó en buenas
condiciones, sin presencia de fisuras en su estructura, ni asentamientos
diferenciales perceptibles en los estribos.
3.2.3 Investigación del sitio
La fase de investigación del sitio del programa de exploración consiste
en la planeación, la realización de sondeos de prueba y la recolección
de muestras del suelo a los intervalos deseados para subsecuentes
observaciones y pruebas de laboratorio. La profundidad mínima
aproximada requerida de los sondeos debe predeterminarse.
13
La profundidad puede ser cambiada durante la operación del
barrenado, dependiendo del subsuelo encontrado. Para determinar la
profundidad mínima aproximada de barrenado pueden usarse las
siguientes reglas establecidas por la American Society of Civil
Engineers (1972):
- Determinar el incremento neto de esfuerzo efectivo, Δσ’, bajo una
cimentación con la profundidad como se muestra en la Figura No. 6
- Estimar la variación del esfuerzo vertical, Δσo, con la profundidad.
- Determinar la profundidad, D=D1, en la que el incremento de
esfuerzo efectivo Δσ’ es igual a 0.10q siendo q el esfuerzo neto
estimado sobre la cimentación; en otras palabras, la profundidad a
la cual solamente se sienta el diez por ciento del esfuerzo
descargado.
- Determinar la profundidad D=D2, en la que Δσ’/ Δσo=0.05.
- A menos que se encuentre un lecho rocoso, la menor de las dos
profundidades, D1 y D2, antes determinadas, es la profundidad
mínima aproximada requerida de perforación.
14
Figura No. 6: Esquema para la determinación de la profundidad mínima de
exploración.
Para realizar la exploración del subsuelo en el puente sobre el río
Chantaco, se proyectaron dos perforaciones, una en cada estribo. Para
estimar la profundidad de cada perforación se utilizó el tercer criterio de
los mencionados en el subcapítulo 3.2.3, que indica que se debe
perforar a una profundidad D=D1 tal que se sienta el 10% de los
esfuerzos descargados. Con ayuda de la teoría de Boussinesq se tiene
que para una zapata continua (cimentación superficial), se siente el
10% de los esfuerzos a una profundidad de aproximadamente 6 veces
el ancho de la zapata.
15
Figura No. 7: Bulbos de presión según la teoría de Boussinesq, esfuerzo a distintas profundidades en función del ancho del cimiento.
Según la teoría de Boussinesq (ver Figura No. 7),para un ancho de
zapata tentativo de 4.5 m (valor sin revisión de capacidad de carga ni
estabilidad externa, pre diseño), la profundidad de perforación
aproximada sería de 6x4.5= 27 m bajo el fondo de la zapata, sin
embargo apoyados en el buen criterio, en el caso de que se obtengan
16
muestras rocosas o en su defecto estratos de materiales gravosos y
arenas cuyo número de golpes del ensayo SPT (N de campo) sean
mayores a 50, se podrá parar la perforación, estando seguros de que
se llegó a un estrato competente. En caso de encontrar suelos
cohesivos (limos y arcillas), se deberá confirmar su consistencia.
3.3 Perforaciones exploratorias en campo.
En el estudio se debe tomar en cuenta el costo final de la estructura al
tomar decisiones relativas a la extensión de la exploración de campo,
para la cual debe destinarse generalmente entre el 0.1 y 0.5% del costo
de la estructura. Los sondeos en suelo se llevan a cabo por varios
métodos: con barrena, con lavado, por percusión y perforación rotativa.
3.3.1 Perforación con barrena
La perforación con barrena es el método más simple de efectuar
sondeos de exploración. La Figura No. 8 muestra dos tipos de barrenas
manuales: la pala posteadora y la barrena helicoidal. Las barrenas
manuales no deben usarse para perforaciones de más de 3 a 5 m de
profundidad. Sin embargo, son muy útiles para exploraciones de
suelos en algunas carreteras y en estructuras pequeñas. Existen
barrenas helicoidales eléctricas portátiles (76 a 305 mm de diámetro)
adecuadas para perforaciones más profundas. Cabe mencionar que
17
las muestras obtenidas mediante este método de sondeo están
sumamente alteradas. En algunos suelos no cohesivos o con baja
cohesión, como es el caso de las arenas y gravas, las paredes de los
barrenos no son estables por sí mismos. En tales circunstancias, se
usa un tubo metálico como ademe* para impedir que el suelo se
derrumbe.
Figura No. 8: Herramientas manuales para realizar barrenos: pala posteadora y
barrena helicoidal.
*Tubo metálico generalmente hecho con acero al carbono, se diseña el
espesor de este elemento, posee una parte lisa y otra ranurada. Su
función es evitar que el suelo colapse.
Cuando se dispone de energía eléctrica, las barrenas helicoidales de
perforación continua son el método más común de perforar un barreno,
la energía de perforación se suministra generalmente mediante un
motor adaptado a un camión o tractor. De esta manera se efectúan
18
fácilmente barrenos de hasta 70 m de profundidad (en suelos cohesivos
blandos). Algunas barrenas tienen diámetros exteriores de 66.68 mm,
82.55 mm, 101.6 mm y 114.3 mm, con longitudes de 1 a 2 metros. La
hélice de la barrena funciona con el principio del tornillo sin fin de
Arquímides, llevando el suelo suelto hacia la superficie. Una de las
ventajas de este tipo de sondeo es que el perforista puede detectar
fácilmente mediante descripción visual del material, los cambios de
suelo, notando también variaciones de velocidad y sonido del taladro.
Figura No. 9: Barrena helicoidal de perforación continua.
19
3.3.2 Perforación con lavado.
Consiste en hincar un ademe de aproximadamente 2 a 3 m de largo. El
suelo del ademe se retira por medio de un trépano cortante unido a un
vástago perforador. Luego se inyecta agua a través del vástago
perforador y sale a muy alta velocidad por los agujeros en el fondo del
trépano (ver Figura No. 10). El agua y las partículas de suelo
desmenuzadas ascienden por el agujero taladrado y fluyen en la parte
superior del ademado a través de una conexión en T. El agua de
lavado se recoge en un recipiente. El ademe o camisa metálica puede
extenderse en varios tramos adicionales según avanza el barrenado;
sin embargo esto no es necesario si el barreno permanece abierto y sin
derrumbarse. Otra opción en caso de derrumbe debido a existencia de
material poco cohesivo, es usar lodo bentonítico.
20
Figura No. 10: Esquema de la perforación con lavado.
3.3.3 Perforación rotatoria.
Es un procedimiento en el cual trépanos rotatorios de perforación de
alta velocidad unidos al extremo de las varillas perforadoras cortan y
muelen el suelo y profundizan el barreno. Existen varios tipos de
trépanos perforadores. La perforación rotatoria se usa en arena, arcilla
y roca (a menos que ésta esté muy fisurada). Se inyecta agua o lodo
de perforación a presión hacia abajo por las barras de perforación hasta
los trépanos y el flujo de retorno expulsa los recortes a la superficie.
Con este procedimiento se logra fácilmente barrenos con diámetros de
entre 50 a 203 mm de diámetro. El lodo de perforación es una lechada
de agua y bentonita. Para obtener la muestra de suelo (que es lo que
21
interesa), la barra perforadora se eleva y el trépano se reemplaza por
un tubo muestreador. Es el tipo de perforación más común.
Figura No. 11: Trépano tricónico.
3.3.4 Perforación por percusión.
Es un método alternativo de excavar un barreno, particularmente a
través de roca y suelo duro. Un trépano pesado de perforación,
comúnmente llamado barril, se sube y baja para cortar el suelo duro.
Las partículas de suelo recortado son llevadas a la superficie por
circulación de agua. El sondeo por percusión puede requerir un ademe
o camisa.
22
Figura No. 12: Trépano barril empleado para rocas.
3.4 Procedimiento para muestreo del suelo.
Entre el 07 y el 12 de Septiembre del 2012 se efectuaron las
perforaciones CH-1 de 15.00 m, en el estribo derecho del puente
existente y la perforación CH-2 de 15.00 m en el estribo izquierdo del
mismo. La Figura No. 1 muestra un croquis de ubicación de las
perforaciones. Las cotas de la superficie del terreno en los sitios de las
bocas de las perforaciones están anotadas en las hojas estratigráficas
de cada perforación adjuntas (Ver Anexo 1), así como en el plano
geotécnico (Ver Anexo 4).
Las perforaciones fueron realizadas a rotación y lavado, con
perforadoras Simco modelo 2400, teniendo como criterio que se debería
23
tener por lo menos 5.0 m de suelo muy duro y/o muy denso hasta una
profundidad de tres veces el ancho de la zapata del estribo, que es la
profundidad hasta donde se transmiten hasta un 20% de los esfuerzos
inducidos (Ver Figura No. 7).
Los suelos cohesivos de consistencia blanda a media dura fueron
obtenidos en tubos de pared delgada, mientras que los suelos cohesivos
duros y los suelos granulares fueron obtenidas con el toma muestras de
cuchara partida, efectuando el ensayo de penetración Standard conocido
como valor N. Este ensayo de penetración Standard consiste en contar
el número de golpes que hay que dar a la cuchara partida con un martillo
de 140 lb de peso que cae libremente 75 cm para ocasionar que el
mismo penetre 12” (30 cm). Este valor N guarda una correlación
confiable con el ángulo de fricción interno de los suelos granulares
(suelos arenosos) y menos confiable con la resistencia al esfuerzo
cortante de los suelos cohesivos.
Los números de golpes obtenidos en las perforaciones para cada
muestra pueden ser normalizadas a N60 o (N1)60, donde N60 es el
número de golpes corregido al 60% de la energía de caída libre teórica
del martillo y (N1)60 el número de golpes corregido a 1 atm de la
sobrecarga de presión y el 60 % de la energía de caída libre teórica del
martillo.
24
Las ecuaciones más generales para el N60 y (N1)60 son las siguientes:
Donde:
N60 = el número de golpes corregidos al 60 % de la energía de caída
libre teórica del Martillo.
(N1) 60 = el número de golpes corregidos de 1 atm de la sobrecarga de
presión y el 60 % de energía de caída libre teórica del martillo.
NSPT = número de golpes medidos en el campo.
CN= factor de corrección de sobrecarga.
CE= factor de corrección de energía.
CR= factor de corrección de longitud de varilla.
CB= factor de corrección del diámetro del agujero.
CS= factor de corrección del revestimiento.
CA= factor de corrección del barreno.
CBF = factor de corrección de la frecuencia de número de golpes.
CC = factor de corrección del amortiguamiento del martillo.
25
Para más aplicaciones geotécnicas, los últimos 6 factores de corrección
enlistados arriba, en algunos casos, pueden ser usados para
proporcionar mejores datos (Seed et al.1985).
En la mayoría de los casos N60 y (N1) 60 son definidos como:
La resistencia a la penetración de materiales no cohesivos depende
fuertemente de la presión de confinamiento. Para las mismas arenas,
una ejecución del SPT a profundidades superficiales tendrá un número
de golpes más bajo que para la ejecución del SPT a grandes
profundidades.
Multiplicando N60 por CN, los efectos de la presión de confinamiento son
compensados. Los Valores recomendados del CN son resumidos en la
Tabla I. La ecuación más utilizada es la de Liao Whitman (1986).
Tabla I: Factor de corrección de sobre carga (CN). Según Carter y Bentley (1991)
26
Factor de corrección de energía – CE .
Una de las correcciones más importantes a ser usadas para el NSPT de
campo es por la energía liberada del martillo. Teóricamente, un martillo
de 140 lb cayendo 30 pulg debería producir 4200 pulg-lb de energía. El
factor de corrección es definido como:
Donde:
CE = Factor de corrección de energía del martillo.
ER = Energía del martillo expresada como un porcentaje de la
energía teórica de un martillo de 140 lbs cayendo 30 pulg.
Cada tipo de martillo tiene un valor de CE, como se muestra en la Tabla
II.
Tabla II: Factor de corrección de energía (CE) (Seed et al.) (1985)
TIPO DE MARTILLO ER (%) CE
ANULAR (“Donut”) 45 0.75
DE SEGURIDAD 60 1.00
AUTOMATICO 100 1.67
Fundamentos de Ingeniería en Cimentaciones Braja M. Das
27
Sin embargo, este ensayo se realiza con la finalidad de obtener un
parámetro que define a los materiales granulares el ángulo de fricción ,
y para los suelos cohesivos la resistencia al corte no drenado Su, siendo
este último menos aproximado. La Tabla .III muestra las correlaciones
utilizadas para obtener el ángulo de fricción en suelos granulares en este
estudio.
Tabla III: Correlaciones utilizadas para obtener valores de ángulo de fricción en suelos
granulares.
ECUACIÒN AUTOR USO
Terzaghi et
al (1996)
Para suelos
finos
Schmertma
nn (1978)
Para
arenas
finas
√ Osaki et al
(1959)
Para todo
tipo de
materiales
granulares
√ Peck et al
(1953)
Para todo
tipo de
materiales
granulares
(
(
))
Schmertmann (1975)
Para todo
tipo de
materiales
granulares
Shioi and Fukui (1982)
Para todo
tipo de
materiales
granulares
Recopilación Campoverde y Tomalá
28
La Tabla IV presenta las correlaciones utilizadas para obtener valores de
resistencia al esfuerzo cortante no drenado en suelos cohesivos (Su) en
este proyecto, a partir de los números de Golpes (N60).
Tabla IV: Correlaciones utilizadas para obtener valores de resistencia al
esfuerzo cortante no drenado en suelos cohesivos (Su).
Recopilación Campoverde y Tomalá
Durante la campaña de perforaciones se obtuvieron además muestras
voluminosas del cauce del río en sacos para conocer la granulometría
total del material de su cauce, información que es de interés en los
cálculos de socavación potencial del cauce con las crecidas del río.
ECUACION AUTOR USO
Bowles (1988) Todo tipo de materiales cohesivos
Stroud and Butler (1975) Todo tipo de materiales cohesivos
Reese, Touma and O'neill (1976) Todo tipo de materiales cohesivos
Djoehaidi Todo tipo de materiales cohesivos
Decourt (1989) Todo tipo de materiales cohesivos
CAPITULO 4
4. DESCRIPCIÓN DEL SUBSUELO
A los costados del puente sobre este río, existen edificaciones como una
gasolinera y casas, lo que complicó la investigación geotécnica, como se
puede apreciar en las Figuras No. 4 y 5.
La estratigrafía de este sector está compuesta por materiales caídos,
escombros de construcciones y material suelto, que han sido depositados
durante la época de construcción de esta carretera. En la perforación
CH-1 se obtuvieron valores N mayores a 50 a poca profundidad (desde
los 6 m hasta los 8.5 m) y valores N menores a 50 por debajo de éstos.
Esto quiere decir que hay bloques de roca o boleos (escombros). En la
perforación CH-2 se obtuvieron valores N mayores a 50 a partir de los 8.5
m, y se obtuvieron muestras de barril (fragmentos de roca) entre los 11 m
y los 12.70 m, y por debajo de éstos se volvieron a obtener valores N
mayores a 50. Esto quiero decir que las muestras obtenidas con barril
son materiales de escombros. Finalmente, desde los 14 m se volvió a
obtener fragmentos de roca.
En la perforación CH-1 predominaron los suelos granulares, en su
mayoría arenas arcillosa, también se encontraron gravas mal gradadas
con arena. A la profundidad entre 1 y 2 m. se encontró una arcilla de baja
30
plasticidad obtenida con un tubo de pared delgada (tubo shelby), entre
sus propiedades se obtuvieron un contenido de humedad w(%)= 16%,
IP(%)= 29%, una resistencia a la compresión simple qu= 4 Kg/cm2 lo que
indica que cuya resistencia al esfuerzo cortante o cohesión es de 200
KPa (arcilla de consistencia muy dura). Sin embargo no existe mayor
interés por el comportamiento que tomase este material arcilloso ya que
al estar ubicado a poca profundidad, seguro será removido durante la
excavación para la construcción de los cimientos del puente.
Tabla V: Grado de potencial expansivo para suelos cohesivos en función del índice de
plasticidad.
Grado de potencial expansivo IP (%)
Bajo < 15
Medio 10 – 35
Alto 20 – 55
Muy alto > 55
Fundamentos de Ingeniería en Cimentaciones Braja M. Das
En la Tabla V se muestra el grado de potencial expansivo en función del
índice de plasticidad, da una idea de que tan expansiva puede llegar a
ser una arcilla según el índice de plasticidad que tenga. En el caso de la
perforación CH-1 que contiene una arcilla con IP(%)= 29%, se puede
decir que tiene un grado de expansibilidad medio, lo cual no podría
31
afectar a una estructura, como si lo haría una arcilla con un grado de
expansibilidad alto o más aún muy alto.
En la perforación CH-2 también predominaron los suelos granulares, en
su mayoría gravas limosas, también se encontraron arenas arenas
limosas y/o arcillosas. A la profundidad entre 0 y 1.2 m. se encontró una
arcilla de baja plasticidad obtenida con un tubo de pared delgada (tubo
shelby), entre sus propiedades se obtuvieron un contenido de humedad
w(%)= 19%, IP(%)= 30%, una resistencia a la compresión simple qu=
4.25 Kg/cm2 lo que indica que cuya resistencia al esfuerzo cortante o
cohesión es de 212 KPa (arcilla de consistencia muy dura). Sin
embargo no existe mayor interés por el comportamiento que tomase este
material arcilloso ya que al estar ubicado a poca profundidad, seguro
será removido durante la excavación para la construcción de los
cimientos del puente. Además se obtuvo otra arcilla de alta plasticidad a
una profundidad de 1.65 m obtenida con un tubo de pared delgada (tubo
shelby), entre sus propiedades se obtuvieron un contenido de humedad
w(%)= 25.5%, IP(%)= 53.3%, una resistencia a la compresión simple qu=
3.4 Kg/cm2 lo que indica que cuya resistencia al esfuerzo cortante o
cohesión es de 170 KPa (arcilla de consistencia muy dura), este material
desde el punto de vista expansivo si es preocupante y en caso de una
cimentación sobre éste, sería necesaria el reemplazo del mismo por un
material de préstamo importado debidamente compactado. En el caso
32
de la cimentación de los estribo del puente en estudio, no preocupa la
existencia de este material a esta profundidad ya que será removido
durante la excavación y construcción.
CAPITULO 5
5. PROSPECCIONES GEOFÍSICAS
5.1 Exploración geofísica
Los tipos de procedimiento de exploración geofísica permiten una
rápida evaluación de las características del subsuelo. Éstos permiten
una rápida cobertura de grandes áreas y son menos caros que la
exploración convencional por medio de barrenos. Sin embargo, en
muchos casos, una interpretación definitiva de los resultados es
difícil. Por esa razón, esos procedimientos deben usarse sólo para
trabajos preliminares. Ciertos tipos de exploración geofísica suelen
ser: método por refracción sísmica, método sísmico de cross-hole y
el método por resistividad eléctrica. Se detallarán los métodos por
refracción sísmica y resistividad eléctrica ya que fueron los
empleados en el proyecto.
5.1.1 Sondeo por refracción sísmica
Son útiles para obtener información preliminar acerca del espesor de
los estratos de suelo y de la profundidad de la roca o suelo firme en un
34
sitio. Los métodos por refracción sísmica se conducen por impactos
sobre la superficie, como en el punto A en la figura No. 12, punto
conocido como punto de la fuente de perturbación, y observando la
primera llegada de la perturbación (ondas de esfuerzo) en varios otros
puntos (por ejemplo B, C, D,… etc.). El impacto puede ser generado
por un golpe de martillo o por una pequeña carga explosiva. La
primera llegada de ondas perturbadoras en varios puntos es registrado
por geófonos.
Figura No. 13: Ilustración de la ejecución de la sísmica de refracción.
El impacto sobre la superficie del terreno crea dos tipos de onda de
esfuerzos: ondas P (ondas de compresión) y ondas S (ondas de
corte). Las ondas P viajan más rápido que las ondas S; por
consiguiente, la primera llegada de ondas perturbadoras estará
35
relacionada con las velocidades de las ondas P en diferentes estratos.
La velocidad de las ondas P en un medio está dado por:
√
(
)
Donde:
Es= módulo de elasticidad del medio
γ= peso específico del medio
g= aceleración debido a la gravedad
μs= relación de Poisson del suelo.
Sin embargo, la ecuación mostrada para calcular la velocidad de la
onda de compresión, es muy teórica, y en el campo profesional se
lleva a cabo un cálculo empírico para así determinar la velocidad Vp y
distinguir entre el estrato de suelo y roca.
Los ensayos y estudios han llegado a determinar que generalmente la
velocidad de la onda de compresión dobla a la velocidad de la onda de
corte, por lo que matemáticamente se lo puede expresar como:
36
La tabla VI muestra valores típicos de velocidades de ondas de
compresión (Vp) para diferentes tipos de materiales.
Tabla VI: Intervalo de la velocidad de las ondas P en diferentes suelos y rocas.
Velocidad de las
ondas P
Tipo de suelo o roca: m/s
Suelo
Arena, limo seco y capa superior de suelo de grano
fino
200 - 1000
Aluvial 500 - 2000
Arcilla compactas, grava arcillosa y arena arcillosa
densa
1000 - 2500
Loess 250 -275
Roca
Pizarra y esquisto 2500 - 5000
Arenisca 1500 - 5000
Granito 4000 - 6000
Caliza Sana 5000 - 10000
Fundamentos de Ingeniería en Cimentaciones Braja M. Das
37
Figura No. 14: Colocación de instrumentos para ensayo de refracción sísmica.
5.1.2 Sondeo por resistividad eléctrica
La resistividad eléctrica de cualquier material conductor que tenga una
longitud L y un área A de sección transversal se define como:
38
Donde:
R= resistencia eléctrica.
La unidad de resistividad se expresa generalmente como ohm-
centímetro u ohm-metro. La resistividad de diferentes suelos depende
principalmente del contenido de agua y de la concentración de iones
disueltos.
Las arcillas saturadas tienen una resistividad muy baja; en contraste,
los suelos y rocas secos la tienen alta. El intervalo de resistividad
generalmente encontrada en diferentes suelos y rocas se da en la
Tabla VII
Tabla VII: Valores representativos de la resistividad.
Material Resistividad
Ω.m
Arena 500 - 1500
Arcillas, limo saturado 0 - 100
Arena arcillosa 200 - 500
Grava 1500 - 4000
Roca intemperizada 1500 - 2500
Roca Sana > 5000
Fundamentos de Ingeniería en Cimentaciones Braja M. Das
39
El procedimiento más común para medir la resistividad eléctrica de un
suelo consisten en utilizar cuatro electrodos hincados en el suelo y
espaciados uniformemente a lo largo de una línea recta. El
procedimiento en general se conoce como método Wenner. Los dos
electrodos exteriores se usan para enviar una corriente eléctrico I
(generalmente corriente directa eon electrodos de potencial no
polarizante) al terreno. La corriente eléctrica varía entre 50 y 100
miliamperios. La caída de voltaje, V, se mide entre los dos electrodos
interiores. Si el perfil del suelo es homogéneo (lo cual es una
idealización), su resistividad eléctrica es:
En la mayoría de los casos, el perfil del suelo consiste en diferentes
estratos con resistividades diferentes y la ecuación mostrada dará
entonces una resistividad aparente.
Para obtener la resistividad real de diferentes capas y sus espesores se
usa un método empírico que implica realizar las pruebas con diferentes
espaciamientos de los electrodos (es decir, se cambia d). La suma de
las resistividades aparentes, ∑ρ, se grafica contra el espaciamiento d.
La gráfica así obtenida tiene segmentos relativamente rectos, cuyas
pendientes dan la resistividad de los estratos individuales.
40
El sondeo por resistividad es particular mente útil en la localización de
depósitos de grava dentro de un suelo de grano fino.
Figura No. 15: Método de Wenner para resistividad eléctrica.
Figura No. 16: Telurómetro empleado en la resistividad eléctrica.
41
Figura No. 17: Montaje del equipo para realizar el sondeo de resistividad eléctrica.
Figura No. 18: Equipo empleado para el sondeo de resistividad eléctrica.
42
5.2 GENERALIDADES
A los costados del puente sobre este río, existen edificaciones como una
gasolinera y casas, lo que complicó la investigación geofísica, como se
puede apreciar en las Figuras No. 4 y 5.
Figura No. 19: Campaña de exploración geofísica efectuada en los estribos del puente
existente sobre el río Chantaco.
43
A pesar de estos inconvenientes, se efectuaron ensayos de refracción
sísmica perpendiculares a la vía (paralelas al río), en las ubicaciones
que se muestran en la Figura No. 19, que ayudaron a determinar mejor
el espesor del material coluvial existente e interpretar de mejor manera
las propiedades geotécnicas de los estratos encontrados.
En las Figuras No. 20, 21, 22, 23, 24, 25, y 26 se muestran los
resultados de la exploración geofísica realizada. Asimismo en la Tabla
No. 8 se detallan los rangos de velocidades de onda de corte obtenidos
en las líneas de refracción sísmica. En las estratigrafías se muestran
también los parámetros correlacionados a partir de las velocidades de
onda obtenidas de la sísmica de refracción.
Las ecuaciones utilizadas para determinar algunos de los parámetros
elásticos de los materiales son mostradas a continuación:
Para determinar los parámetros dinámicos del suelo y conocer sus
propiedades se realizó la exploración geofísica en el campo utilizando
44
refracción sísmica, con lo que se puede obtener ondas de compresión
Vp y ondas de corte Vs.
Para determinar el tipo de material en función de la línea de resistividad
eléctrica utilizó la Tabla No. 7; sin embargo, es necesario correlacionar
esta información con los resultados obtenidos en las perforaciones.
Este método combinado con los resultados de los ensayos realizados en
las muestras obtenidas en las perforaciones CH-1 y CH-2 permitieron
determinar los parámetros físicos de los suelos como son: ángulo de
fricción interna para suelos granulares, cohesión en suelos finos,
densidades, módulo elástico, módulo de corte y coeficiente de Poisson,
además de que permite determinar con buena precisión la estratigrafía
del subsuelo donde se cimentará la estructura del puente.
5.3 Interpretación de resultados de sísmica de refracción
Los perfiles SRS-220 y SRS-222, se encuentran en el lado N de la
carretera tienen una dirección N 29º E, una longitud de 55 m cada uno y
sobre el perfil SRS-220 a partir de la abscisa 0+000 se ubica el perfil
SEV-220 de 110 m de longitud.
En el lado sur de la carretera se ubican los perfiles SRS-223 con una
dirección N 24º E, hacia el E se encuentra el perfil SRS-221 con una
dirección N 22º E, mientras que el perfil SRS-224 se ubica en el borde
sur de la carretera con una dirección N 69º W, todos tienen una longitud
45
de 55 m, sobre el perfil SRS-223 y a partir de la abscisa 0+000l se ubica
el perfil SEV-223 de 110 m de longitud.
Sobre esta área se han obtenido los siguientes resultados:
En el lado N de la carretera se presenta una capa de 655 m/s y 300 m/s,
con profundidades mínima y máxima entre 3.8 m a 10.1 m y 2.3 m a 3.4
m en los perfiles SRS-220 y SRS-222 respectivamente, los mismos que
corren en forma paralela uno en cada margen del Río Chantaco,
correspondiente al suelo vegetal y/o de cobertura de tipo limoso con
presencia de pequeños cantos, en el caso de la velocidad mayor.
Un segundo medio que presenta una velocidad de 1702 m/s y 1618 m/s
en los perfiles SRS-220 y SRS-222, probablemente constituido por
material aluvial que conforma las márgenes del río.
En el lado S de la carretera igualmente se presentan dos estratos de
características diferentes, el primero de 269 m/s, 628 m/s y 486 m/s
sobre los perfiles SRS-223, SRS-221 y SRS-224, el mismo que
correspondería a suelo limoso a arcillo arenoso, con profundidades que
varían entre 1.9 m a 3.4 m, 2.1 m a 13.9 m y 0.1 m a 1.7 m en el mismo
orden.
El segundo medio caracterizado por una velocidad de 1472 m/s en el
caso del perfil SRS-223 que correspondería al material aluvial del río ya
46
que dicho perfil corre paralelo a la margen del Río Chantaco, mientras
que en los perfiles SRS-221 y SRS-224 dicho estrato se manifiesta con
velocidades iguales a 897 m/s y 1084 m/s, que podría corresponder a
suelos deslizados o coluviales en el caso del perfil SRS-221 y a
materiales ligeramente compactados como en el caso del Perfil SRS-
224.
En los SEV-220 y SEV-223, se pueden correlacionar con los dos
estratos detectados por sísmica de refracción, en el primer caso un
primer medio de 53 ohm-m que correspondería al primer estrato de
sísmica, para luego ir variando a una resistividad de 300 ohm-m lo que
indicaría la presencia de cuerpos más densos y compactos, por sobre
los 10 m a 15 m de profundidad se puede apreciar una variación de
resistividad lateral desde 2900 ohm-m a 53 Ohm-m y 7 ohm-m lo que
indicaría la presencia probablemente de un cuerpo masivo de roca
asociado a materiales más finos.
En el SEV-223 el primer medio es igualmente de 53 ohm-m delgado y
que va aumentando de resistividad conforme se profundiza llegando a
168 ohm-m, probablemente relacionado con el material aluvial del río,
pasando sobre los 10 m de profundidad a resistividades bajas entre 17
ohm-m y menos, lo que indica la presencia de materiales finos y
probable humedad.
47
Figura No. 20: Línea de refracción sísmica SRS-220, alineada al perfil transversal de la
vía, del lado derecho del puente.
Figura No. 21: Línea de refracción sísmica SRS-221, alineado al perfil transversal de la
vía, del lado izquierdo del puente.
1300
1310
1320
1330
1340
Elev
atio
n
(m) SRS-220
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
(m)Distance
(m/s)
655
830
1004
1179
1353
1527
1701
Scale = 1 / 1000
655
1702
1320
1330
1340
1350
Elevation
(m) SRS-221
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
(m)Distance
(m/s)
628
687
747
807
867
Scale = 1 / 1000
628
897
48
Figura No. 22: Línea de refracción sísmica SRS-221, alineada al perfil transversal de la
vía, del lado derecho del puente.
Figura No. 23: Línea de refracción sísmica SRS-221, alineada al perfil transversal de la
vía, del lado izquierdo del puente.
1310
1320
1330
1340
Elev
atio
n
(m) SRS-222
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
(m)Distance
(m/s)
300
593
886
1178
1471
Scale = 1 / 1000
300
1618
1310
1320
1330
1340
Elev
atio
n
(m) SRS-223
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
(m)Distance
(m/s)
269
537
804
1071
1338
Scale = 1 / 1000
269
1472
49
Figura No. 24: Línea de refracción sísmica SRS-224, alineada al perfil longitudinal de la
vía, del lado izquierdo del puente.
Figura No. 25: Línea de sondeo eléctrico vertical SEV-220, alineada al perfil transversal
de la vía, del lado derecho del puente.
1320
1330
1340
Elevation (m) SRS-224
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
(m)Distance
(m/s)
486
686
885
1083
Scale = 1 / 1000
1084
50
Figura No. 26: Línea de sondeo eléctrico vertical SEV-223, alineada al perfil transversal
de la vía, del lado izquierdo del puente.
Con los resultados de la sísmica de refracción se puede determinar los
parámetros elásticos de los materiales que conforman el subsuelo donde
se cimentará el puente. Estos parámetros se utilizaron para el cálculo
de los asentamientos instantáneos que se producirán bajo la
cimentación y se muestran en la tabla V.
51
Tabla VIII. Propiedades adoptadas para la determinación de los asentamientos
instantáneos en el estribo derecho.
Profundidad
(m) Vs(m/s) Vp(m/s) Y(KN/m3 Gdin (MPa) Edin (MPa) Ees (MPa) ט (
0.0 – 2.0 188.3 269 18 0.33 32.56 86.83 60.78
2.0 – 15.0 736 1,472 20 0.33 1,083.40 2,889.05 2,022.33
Tabla IX. Propiedades adoptadas para la determinación de los asentamientos
instantáneos en el estribo izquierdo.
Profundidad
(m) Vs(m/s) Vp(m/s) Y(KN/m3 Gdin (MPa) ט (
Edin
(MPa)
Ees
(MPa)
0.0 – 3.0 188.3 655 18 0.33 214.51 572.03 400.42
3.0 – 15.0 851 1,702 20.0 0.33 1,448.4 3,862.41 2,703.70
CAPITULO 6
6. Nivel Freático
El nivel freático en ambas perforaciones fue tomado el 02 de noviembre
del 2012, no se observó nivel freático. Posteriormente, el 09 de
noviembre se realizó otra observación obteniendo en la perforación CH-2
una profundidad de 10.50 m desde la boca de la perforación, mientras
que en la perforación CH-1 no se detectó el nivel freático (Ver
estratigrafías de perforaciones). Sin embargo para las modelaciones de
estabilidad externa y determinación de la capacidad de carga última, se
asumió el nivel freático al nivel de la máxima crecida del río (Ver plano
geotécnico en ANEXO #4).
CAPITULO 7
7. Ensayos de Laboratorio
Para ayudar en la estimación del comportamiento mecánico de los suelos
se efectuaron ensayos de humedad, densidad, compresión simple y
Penetrómetro de bolsillo; y para ayudar en la clasificación de los suelos
se efectuaron ensayos de granulometría, límite líquido y límite plástico en
cada una de las muestras. Los resultados de todos los ensayos
mencionados están anotados en las hojas estratigráficas, a la derecha de
las muestras en que se efectuaron los ensayos, excepto los resultados de
granulometría completa que se presentan en hojas separadas (Ver
respaldos de ensayos en ANEXO #1).
CAPITULO 8
8. ANÁLISIS DE CAPACIDAD PORTANTE Y RECOMENDACIONES
Las capacidades admisibles recomendadas para las cimentaciones
superficiales tienen un factor de seguridad de 3.0 contra una falla
potencial de corte del terreno. Para cimentar las zapatas en un estrato
competente se analizó el perfil estratigráfico obtenido en cada perforación
y se determinó la cota donde las propiedades de los suelos sean idóneas
para resistir las cargas provocadas por el peso del puente y las cargas
vivas que por el circularán. Se tomó en cuenta además la cota de
socavación (Ver plano geotécnico en ANEXO #4), ya que la cota de
cimentación debe estar por lo menos un metro por debajo de esta.
Teniendo en consideración lo mencionado en el párrafo anterior, la cota
de cimentación seleccionada para ambos estribos es de 1327.25 m.s.n.m.
Para obtener el valor de capacidad portante, se utilizó la ecuación de
Brinch – Hansen, ya que la ecuación de Terzaghi sólo aplica para
condiciones en donde la profundidad de desplante (Df) es inferior al
ancho de la zapata (B). Utilizando la teoría de la capacidad portante de
los suelos de Brinch – Hansen para zapatas corridas se puede determinar
la capacidad última de los suelos que viene dada por:
σ ´
55
Dónde:
[
⁄ ]
para >0
para =0
= coeficiente de forma.
= coeficiente de influencia de la profundidad de desplante de la
cimentación .
= coeficiente de inclinación de carga vertical.
= coeficiente de inclinación de la base de la zapata.
= coeficiente de inclinación del talud del terreno natural.
56
Figura No. 27: Consideraciones para ángulo de inclinación de la carga, inclinación de
la base e inclinación de talud, para la ecuación de Vésic.
Para los coeficientes de forma de la cimentación, se utilizaron las
siguientes ecuaciones:
Cuando el ancho de la zapata es muy inferior a la longitud de la misma, el
coeficiente de forma de la cimentación es igual a 1. Este es el caso de
las zapatas continuas (zapatas de este puente).
57
Para los coeficientes de influencia de la profundidad de desplante de la
cimentación, se utilizaron las siguientes ecuaciones:
√
√
=1
Para los coeficientes de inclinación de carga vertical, se deben utilizar las
siguientes ecuaciones:
= Ángulo de desviación de la fuerza resultante con respecto a la
dirección vertical.
Para los coeficientes de inclinación de carga vertical, cuando la carga
actúa en la dirección vertical, los mismos son iguales a 1. Este es el caso
de este puente.
Para los coeficientes de inclinación de la base de la cimentación, se
deben utilizar las siguientes ecuaciones:
58
= Ángulo de inclinación de la base de cimentación
Para los coeficientes de inclinación de la base de la cimentación, cuando
ésta es horizontal, los mismos son iguales a 1. Este también es el caso de
este puente.
Para los coeficientes de inclinación del talud del terreno natural, las
ecuaciones que se utilizan son las siguientes:
β
[ β]
β = Ángulo de inclinación del terreno (grados)
En las Figuras No. 28 y 29 se pueden observar los perfiles geotécnicos
en los estribos derecho e izquierdo, respectivamente. Además se
incluyen los parámetros como el esfuerzo al corte no drenado (Su) en el
caso de suelos cohesivos como Arcillas y Limos, y el ángulo de fricción y
N de campo en el caso de suelos granulares como arenas y gravas.
Ligeramente bajo la cimentación de cada estribo, se especifica el valor de
la capacidad portante admisible, cuyo cálculo y resultado se desarrolla en
este capítulo.
59
Figura No. 28: Modelo utilizado para determinar la capacidad portante de los suelos de
cimentación del estribo derecho.
Figura No. 29: Modelo utilizado para determinar la capacidad portante de los suelos de
cimentación del estribo izquierdo.
60
En las Tablas X y XI se muestran los valores adoptados de los
parámetros geotécnicos para cada estrato de los estribos derecho e
izquierdo, respectivamente. Además se presentan la descripción de cada
uno de los materiales y la profundidad de los mismos. Cabe mencionar
que el valor de los parámetros escogidos han sido calculados por
correlaciones con el N, el N60 y el (N1)60 según sea el caso, sin embargo
se utilizaron valores más conservadores en los cálculos de
asentamientos, capacidad portante y estabilidad externa. También se
adjunta una tabla, donde se aprecian los valores adoptados (Ver ANEXO
2).
61
Tabla X: Propiedades adoptadas para la determinación de la capacidad portante para
el estribo derecho.
No.
Profundidad
(m) Estrato
φef cef γ ϒsu Edef
Desde Hasta [°] [kPa] [kN/m3] [kN/m3] [MPa]
1
0.00
0.95
Arena arcillosa con grava de compacidad media, de color café
oscuro
34.00 5.00 19.00 9.00 16.54
2 0.95 2.00
Arcilla de baja plasticidad de consistencia muy dura de color
café
0.00 200.00 18.50 8.50 30.00
3 2.00 2.45 Grava arcillosa de compacidad
media, de color café oscuro 33.00 5.00 21.00 11.00 18.80
4 2.45
3.35
Arena limosa de compacidad
media, de color café claro 36.00 5.00 20.00 10.00 24.60
5
3.35
4.25
Grava limosa pobremente gradad de compacidad densa,
color café claro
36.00 5.00 21.00 11.00 27.30
6 4.25 5.60 Arena limosa de compacidad
densa, color café muy claro 38.00 5.00 19.00 9.00 32.00
7
5.60 6.00 Grava limosa pobremente
gradad de compacidad densa, color café
44.00 5.00 21.00 11.00 46.80
8 6.00 7.00 Fragmentos de roca Andesita
(coluvial) 38.00 5.00 22.00 12.00 52.00
9 7.00 7.26 Arena arcillosa con grava, de
compacidad densa, color café 43.00 5.00 19.00 9.00 47.60
10
7.26 8.26 Fragmentos de roca Andesita
(coluvial) 39.00 5.00 22.00 12.00 53.00
11 8.26 10.51 Arena limosa de compacidad
media densa, color café 31.00 5.00 18.00 9.00 31.50
12 10.51 15.00 Arena arcillosa de compacidad
muy densa, color café 35.00 5.00 18.50 10.00 50.00
62
Nota: En el Anexo #2 se encuentran la Tabla XVIII donde se sustenta el valor
de los parámetros geotécnicos escogidos para el análisis del estribo derecho.
63
Tabla XI: Propiedades adoptadas para la determinación de la capacidad portante para
el estribo izquierdo.
No. Profundidad (m)
Estrato
φef cef γ ϒsu Edef
Desde Hasta [°] [kPa] [kN/m3] [kN/m3] [MPa]
1 0.00 1.20 Arcilla de baja plasticidad de consistencia muy dura, de color café
0.00 235.00 20.00 10.00 30.00
2 1.20 1.65 Arena limosa de compacidad suelta de color café
32.00 5.00 19.00 9.00 9.70
3 1.65 2.25 Arcilla de alta plasticidad de consistencia muy dura de color café
0.00 170.00 20.00 10.00 30.00
4 2.25 2.85 Grava arcillosa de compacidad media, color café
28.00 5.00 21.00 11.00 35.00
5 2.85 4.20 Arena limosa de compacidad suelta, color café
32.00 5.00 19.00 9.00 14.50
6 4.20 6.45 Grava limosa de compacidad media de color café oscuro
42.00 5.00 22.00 12.00 26.70
7 6.45 6.90
Arcilla de baja plasticidad de consistencia muy dura, color café
0.00 126.00 16.00 6.00 24.40
8 6.90
7.35 Grava limosa pobremente gradada de compacidad densa, color café
38.00 5.00 21.00 11.00 36.90
9 7.35
8.70 Arena arcillosa de compacidad densa, color café
38.00 5.00 20.00 10.00 32.50
10 8.70 10.00 Grava limosa de compacidad densa de color café
42.00 5.00 22.00 12.00 46.70
11 10.00 10.50 Arena limosa de compacidad muy densa de color café claro
38.00 5.00 17.00 7.50 48.00
12 10.50 10.95 Grava arcillosa de compacidad densa de color café claro
38.00 5.00 18.00 9.00 49.00
13 10.95 12.70 Fragmentos de roca Andesita con diámetros entre 4 y 5 cm. (coluvial)
28.00 27.00 22.00 13.00 150.00
14 12.70 14.00 Grava limosa pobremente gradada de compacidad muy densa de color café
32.00 5.00 18.50 9.50 50.00
15 14.00 14.80 Fragmentos de roca Andesita con diámetros entre 4 y 5 cm (coluvial)
40.00 76.00 22.00 13.00 175.00
64
Nota: En el Anexo #2 se encuentran la Tabla XIX donde se sustenta el valor
de los parámetros geotécnicos escogidos para el análisis del estribo
izquierdo.
Tabla XII: Capacidad de carga última y admisibles calculado para la zapata del estribo
derecho.
Tabla XIII: Capacidad de carga última y admisibles calculado para la zapata del estribo
izquierdo.
Los respaldos de los cálculos de capacidad portante para las zapatas de
los estribos derecho e izquierdo se encuentran en el ANEXO #3.
Brinch – Hansen
Ancho de zapata (m) qult(kPa) qadm(kPa)
6.0 2559.46 853.15
Brinch – Hansen
Ancho de zapata (m) qult(kPa) qadm(kPa)
6.0 5738.40 1912.8
CAPITULO 9
9. ANÁLISIS DE ASENTAMIENTOS
9.1 Asentamientos Inmediatos (primarios)
La ecuación para calcular la deformación para el i-ésimo estrato de
suelo debajo de la zapata teniendo un espesor hi, proviene de la
definición del módulo de deformación Eoed:
∑σ
Dónde:
σz,i: Componente vertical del esfuerzo en la mitad del estrato i.
hi: Espesor del estrato i.
Eoedi: Módulo edométrico del estrato i.
El módulo de edométrico puede ser determinado a partir del módulo
de elasticidad estático (obtenido de las Tablas No. 10 y No. 11 para
los estribos derecho e izquierdo, respectivamente) según se muestra
en la siguiente ecuación:
β
66
β
Donde:
µ: Relación de Poisson.
Edef: Módulo de deformación.
La profundidad de influencia de los esfuerzos se calcula como
aquella profundidad para la cual el esfuerzo sobrepuesto es el 10%
del esfuerzo que descarga la zapata. La profundidad de influencia
se muestra calculada por el programa Geo-5 en la figura No 30 para
el estribo derecho y en la Figura No. 31 para el estribo izquierdo.
Para el cálculo de los asentamientos se ha utilizado el programa
Geo-5 para cimentaciones superficiales, utilizando el número de
golpes N y los parámetros establecidos en la tabla No. 10 para el
estribo derecho y en el No. 11 para el estribo izquierdo. Los
asentamientos se han calculado con una carga axial de 300 Ton que
se estima descargará el puente. El perfil de esfuerzos descargados
por el puente y disipados en el suelo así como el perfil de esfuerzos
efectivos debajo de la cimentación se muestran en las Figuras No. 30
y 31 para los estribos derecho e izquierdo, respectivamente.
67
Figura No. 30: Esfuerzos debajo de la zapata del estribo derecho debidos al peso de
descarga y el peso propio de los suelos.
68
Figura No. 31: Esfuerzos debajo de la zapata del estribo izquierdo debidos al peso de
descarga y el peso propio de los suelos.
B(m)
Asentamiento
(mm)
6 10.7
Tabla XIV: Asentamiento elástico para el estribo derecho.
69
B(m)
Asentamiento
(mm)
6 5.4
Tabla XV: Asentamiento elástico para el estribo izquierdo.
Los respaldos de los cálculos de asentamiento para las zapatas de
los estribos derecho e izquierdo se encuentran en el ANEXO #3
9.2 Asentamientos por Consolidación
La figura No. 32 muestra la relación entre la Resistencia al Esfuerzo
Cortante No Drenada (su) y la Razón de Preconsolidación (OCR), para 6
tipos de arcillas con un rango de valores de límites líquidos entre 35% y
95%. Esta gráfica fue obtenida utilizando la siguiente ecuación que
propuso Ladd:
σ
⁄
Donde:
σ
⁄ para arcilla normalmente consolidada.
70
Analizando esta figura se concluye que a medida que aumenta la
resistencia al esfuerzo cortante no drenada (su), también aumenta la
razón de preconsolidación (OCR), y para las gravas arcillosas
compactas que componen los suelos que conforman la estratigrafía
donde se cimentará este puente, se concluye que éstas están
preconsolidadas por lo menos con valores de OCR de mayores a 3. Por
este motivo, no se van a producir asentamientos por consolidación, solo
asentamientos inmediatos (elásticos).
Figura No. 32: Resistencia sin drenaje normalizada con el esfuerzo vertical efectivo,
vs. La razón de preconsolidación OCR para 6 arcillas con 35%<LL<95% (Ladd, 1981)
CAPITULO 10
10. EMPUJE DE TIERRAS.
Una vez que se ha calculado la capacidad portante de los suelos y
que se ha establecido las posibles dimensiones de la zapata para
que esta sea segura, es necesario establecer la estabilidad de los
estribos contra el volteo, deslizamiento y contra la falla global.
Se debe mencionar que los análisis realizados son desde el punto
de vista estático y que los análisis dinámicos son hechos por el
equipo de estructuras.
La teoría de empuje de tierras utilizada para los cálculos es la de
Coulomb para empujes activos y pasivos. Según esta teoría el
empuje activo viene dado por la siguiente ecuación:
Donde:
σa: Esfuerzo de empuje efectivo.
σz: Esfuerzo vertical a la profundidad z.
cef: Cohesión efectiva del suelo si la tiene.
72
Ka: Coeficiente de empuje activo.
Kac: Coeficiente de empuje activo debido a la cohesión.
El coeficiente de empuje activo según Coulomb viene dado por:
y el coeficiente de empuje activo debido a la cohesión viene dado
como sigue:
Para < /4
Para >= /4
73
Donde:
: Ángulo de inclinación de la cara posterior del muro respecto a la
vertical.
: Ángulo de fricción interna del suelo.
: Ángulo de fricción estructura-suelo.
β: Ángulo de inclinación del talud detrás del muro.
Los efectos de rugosidad del muro producen que el esfuerzo activo
tenga cierta inclinación, por lo que tendrá dos componentes, una en
el sentido vertical y otra en el sentido horizontal. Estas componentes
vienen dadas por las siguientes ecuaciones:
Donde:
σax: Componente del esfuerzo activo en x.
σaz: Componente del esfuerzo activo en z.
74
Los empujes pasivos según la teoría de Coulomb viene dada por la
siguiente ecuación:
Donde:
σz: Esfuerzo vertical a una profundidad z.
Kp: Coeficiente de empuje pasivo según Coulomb.
c: Cohesión del suelo si es cohesivo.
El coeficiente de empuje pasivo de Coulomb viene dado por:
Donde:
: Ángulo de inclinación de la cara posterior del muro respecto a la
vertical.
: Ángulo de fricción interna del suelo.
: Ángulo de fricción estructura-suelo.
β: Ángulo de inclinación del talud detrás del muro.
75
Finalmente las componentes vertical y horizontal del empuje pasivo
vienen dadas por las siguientes ecuaciones:
Luego que se calculan las componentes de empujes tanto verticales
como horizontales el factor de seguridad contra volteo y
deslizamiento viene dado por las siguientes ecuaciones:
Donde:
Mres: Momento resistente al volcamiento.
Movr: Es el momento de volcamiento.
El factor de seguridad contra deslizamiento compara las fuerzas que
activan el deslizamiento en el muro con aquellas que lo detienen y
viene dada por:
76
Donde:
N: Fuerza normal a la superficie de la zapata.
: Ángulo de fricción interna del suelo.
c: Cohesión del suelo.
d: Ancho de la zapata.
e: Excentricidad de las cargas.
T: Fuerza de fricción bajo la zapata.
El esquema para los cálculos de estabilidad en el estribo derecho e
izquierdo se muestra en las Figuras No. 33 y 34, respectivamente.
Figura No. 33: Esquema para la determinación del factor de seguridad contra
volteo y deslizamiento para el estribo derecho del puente sobre el río Chantaco.
77
Figura No. 34: Esquema para la determinación del factor de seguridad contra
volteo y deslizamiento para el estribo izquierdo del puente sobre el río Chantaco.
Para los cálculos se han utilizado los siguientes parámetros mínimos
para los materiales de relleno detrás del muro y para estar del lado
de la seguridad se han tomado los mismos parámetros para el suelo
que realiza el empuje pasivo.
78
Tabla XVI: Propiedades de los suelos para los cálculos de estabilidad de los
estribos derecho e izquierdo del puente sobre el río Chantaco
Suelo Ángulo de
fricción º
Cohesión
(KPa).
Ángulo de
fricción suelo
– estructura.
Material de
relleno 32 50 10
Material de
empuje
pasivo
32 50 10
En las Figuras No. 35y 36, se muestran las fuerzas que actúan en la
estructura de los estribos derecho e izquierdo, respectivamente.
79
Figura No. 35: Fuerzas actuantes en el muro del estribo derecho calculadas con
el programa Geo-5.
80
Figura No. 36: Fuerzas actuantes en el muro del estribo izquierdo calculadas con
el programa Geo-5.
81
Los cálculos de volteo y deslizamiento se muestran a continuación:
Análisis del estribo derecho e izquierdo:
Análisis de volteo para el estribo derecho
Momento resistente Mres = 2318.55 kNm/m
Momento de volcamiento Movr = 1474.44 kNm/m
FS = 1.57 > 1.50
FS para volteo es SATISFACTORIO
Análisis de deslizamiento
Fuerza horizontal
resistente
Hres = 543.50 kN/m
Fuerza horizontal activa Hact = 387.06 kN/m
FS = 1.40> 1.30
FS para deslizamiento es SATISFACTORIO
82
Análisis de volteo para el estribo izquierdo
Momento resistente Mres = 2311.45 kNm/m
Momento de volcamiento Movr = 1459.30 kNm/m
FS = 1.58> 1.50
FS para volteo es SATISFACTORIO
Análisis de deslizamiento
Fuerza horizontal resistente Hres = 544.00 kN/m
Fuerza horizontal activa Hact = 383.94 kN/m
FS = 1.42> 1.30
FS para deslizamiento es SATISFACTORIO
Los respaldos de los cálculos de estabilidad externa para las zapatas
de los estribos derecho e izquierdo se encuentran en el ANEXO #3.
83
Se concluye que para un ancho de zapata de 6.0 m. para ambos
estribos, los factores de seguridad obtenidos ante una falla por
volteo o deslizamiento son satisfactorios.
Se recomienda que se emplee arena gravosa y/o grava arenosa sin
finos, compactada como relleno por detrás del muro del estribo y que
se dejen orificios a media altura del muro y en su parte inferior
(mechinales), debiendo emplearse para el empuje horizontal sísmico
del relleno una aceleración de 0.25 g.
CAPITULO 11
11. Movimiento de Tierras
La máxima economía de una obra exige que los costos de movimientos
de tierra sean los mínimos posibles ya que este es uno de los rubros de
mayor valor en la construcción de una red vial y para su correcto
desarrollo es necesario el uso de técnicas y maquinarias adecuadas con
las que se procederán a la realización de las diferentes etapas de las que
consta esta actividad.
Si bien es cierto, en la construcción de una carretera las operaciones de
movimientos de tierras abarcan casos muy generales como
excavaciones, transportes o acarreos, rellenos, tendidos del material,
hidrataciones y compactaciones del mismo, entre otros, en el presente
capítulo se hablará exclusivamente del movimiento de tierras orientado a
las excavaciones a realizarse para la construcción de los estribos de
puentes carreteros de corta longitud así como su procedimiento
constructivo.
85
11.1 Tipos de Excavación
Los tipos de excavación, se pueden dividir en tres grupos:
- A cielo abierto
- Subterráneas
- Subacuáticas
Dependiendo de la constitución del terreno y del material excavado, se
tendrán que utilizar unos u otros medios de excavación.
En el movimiento de tierra para la construcción de una vía y
específicamente los estribos de un puente, como es el caso de estudio,
el tipo de excavación es a cielo abierto, razón por la cual se enfocará a
este tipo de excavación en el siguiente subcapítulo.
11.1.1 Excavación a Cielo Abierto.
Dependiendo del material en el que se excave, esta podría ser:
86
- En roca: Es necesario utilizar material explosivo.
- En terreno Duro: Uso de explosivos o Ripado.
- En terreno de tránsito: Término poco definido, en general se
puede excavar por medios mecánicos, pero no a mano.
- En Tierras: Se puede excavar a mano.
- En Fangos: Es necesario emplear medios especiales de
transporte.
En general el tipo de excavación que se utilizará para las
cimentaciones de los estribos sin duda es la excavación a cielo
abierto para la cual se necesitará del equipo caminero adecuado
para realizar el movimiento de tierras.
11.2 Equipo Caminero para el Movimiento de Tierras
Para los movimientos de tierras en general existe una gran variedad de
maquinarias empleadas para realizar las diferentes actividades que esto
requiere pero en el presente capítulo se tratara únicamente las tres
máquinas más usadas y necesarias para el procedimiento a usar como
lo es la excavación para la colocación y fundición de los cimientos para
los estribos de un puente.
87
Entre las maquinas más importantes para esta actividad tenemos las
siguientes:
- Excavadora
- Tractor
- Volqueta
11.2.1 Excavadora
La excavadora, o pala mecánica, es una máquina que trabaja
estacionaria, es decir que su chasis portante sirve para los
desplazamientos únicamente sin participar en el ciclo de trabajo. El
chasis portante está provisto de gatos estabilizadores laterales de
accionamiento mecánico, hidráulico o neumático, su superestructura
puede girar 360º y está dotada por órganos de trabajo tales como
pluma, balancín que fijan la cuchara y un sistema de ruedas o cadenas
que usa para desplazarse. Algunas de las operaciones que realiza
son las siguientes:
- Excavar
- Cargar
- Girar
- Desplazar
- Movilizar y desmovilizar
88
Figura No. 37: Excavadora sobre Ruedas
Figura No. 38: Excavadora sobre Orugas o Cadenas
89
La capacidad del cucharón es aproximadamente de 0.9-1.2 m3. y su
longitud de operación usando el brazo mecánico es aproximadamente
6 m. de longitud. Algunas de las aplicaciones son:
- Excavación de zanjas
- Extracción de material sobre y bajo el nivel del suelo
- Peinado de taludes encima del plano de sustentación de la
maquina
- Excavación para estructuras
Las excavadoras se clasifican de la siguiente manera:
Según su accionamiento:
- Excavadoras de cable o mecánicas
- Excavadoras hidráulicas
- Según el sistema de traslación:
- Excavadoras montadas sobre cadenas (orugas)
- Excavadoras montadas sobre ruedas o neumáticos
- Excavadoras montadas sobre rieles
- Excavadoras montadas sobre barcos
90
Según el tipo de operación:
- Excavadoras normal o estándar
- Excavadoras de mordazas
- Excavadoras de tambor
- Excavadoras de rosario
Algunos de los proveedores en el país son:
- Caterpillar
- Volvo
- Kawasaki
- Komatsu
11.2.2 Tractores con hoja de Empuje
Son máquinas para movimientos de tierra con una gran potencia y
robustez en su estructura, diseñados especialmente para el trabajo
de corte (excavando) y al mismo tiempo empujando con la hoja
(transporte). En estas máquinas son montados diversos equipos
91
para poder ejecutar trabajo, además debido a su gran potencial tiene
la posibilidad de empujar o apoyar a otras máquinas cuando estas lo
necesiten (ej. una mototrailla).
Algunas de las operaciones que desempeña esta maquinaria son:
- Excavar (a cielo abierto en grandes dimensiones)
- Acarreos en grandes dimensiones
Figura No. 39: Partes de tractor con hoja de empuje
Los tractores con hoja de empuje desempeñan generalmente las
siguientes aplicaciones:
92
- Grandes excavaciones a cielo abierto
- Excavaciones en banco de préstamo
- Limpieza y desbroce
- Apertura de vías
Los tractores se clasifican de la siguiente manera:
Por el sistema de traslación:
De Orugas:
- Su combustible mayormente es el diésel, son equipos de mayor
potencia y Chasis rígido
- Velocidad máxima de entre 7 y 15 Km/h.
- Potencia de entre 140 y 770 HP.
- Transmisiones mecánicas
- Pesos en servicio de entre 13.5 y 68 toneladas
- Capacidad de remontar pendientes de hasta 45º
De Ruedas
- Producen menos compactación en el suelo, se usan más en
agronomía, Chasis articulado con ángulos de 40 a 45º
- Tracción en las cuatro ruedas
93
- Velocidad máxima de desplazamiento de entre 16 y 60 km/h.
- Potencia de entre 170 y 820 HP.
- Transmisiones mecánicas o eléctricas
- Peso en servicio de entre 18.5 y 96 toneladas
Por la forma en que mueve su hoja:
Las hojas de empuje pueden realizar los siguientes movimientos:
- Inclinación lateral
- Variación del ángulo de ataque de la hoja
- Variación del ángulo de la hoja respecto a la dirección del avance
- Elevación y descenso de la hoja
En la Tabla XVII se observa una breve denominación según el tipo
de hoja.
94
Tabla XVII Denominación según el tipo de hoja para tractores con hoja de empuje
Tipo de
Hoja Denominación
Hoja Recta Bulldozer
Hoja Angulable Angledozer
Hoja Inclinable Tiltdozer
Hoja de
Elevación
Pitchdozer
Corta Tronco Cutdozer
c/tope Tractor Empujador
Figura No. 40: Tiltdozer, Angledozer
Algunos de los proveedores son:
- Casece
- Volvo
- Cat
- Komatsu
- John Deere
95
11.2.3 Volquetas (Unidades de Acarreo o Transporte)
Estas máquinas están diseñadas para el acarreo de materiales y su
respectiva descarga. Posee una tolva cuya capacidad puede ser al
ras o colmada, el peso a cargar en dicha tolva está en función del
tipo de material. El volumen de carga debe definirse además por la
ley de cargas considerando las vías por donde vaya a movilizarse el
camión (esto para no dañar el camino existente)
Entre las operaciones que desarrollan las volquetas están:
- Cargar.-Carga material excedente
- Descargar.- Descarga el material en obra
- Acarrear.- Traslada volúmenes de tierra excavada
Figura No. 41: Operaciones de la Volqueta
96
Figura No. 42: Partes de la Volqueta
Algunas de las aplicaciones son:
- Se aplica en obras donde se requiera movimientos de tierras,
acarreo y descarga de grandes volúmenes de tierra
- Transporte de material
- Transporte de escombros
- Sobre acarreo
Las unidades de Acarreo se clasifican de la siguiente manera:
Área Urbana
- Camiones de transporte para maquinaria
- Tracto Camión
- Camión Volqueta
97
Figura No. 43: Camión de Transporte, Tracto Camión, Camión Volqueta
Área Rural
- Camiones Articulados
- Camiones fuera de carretera (TRUNK)
Figura No. 44: Camión Articulado
98
Figura No. 45: Camión Trunk
Clasificación por tamaños
- Grandes: Se las llama también “Bañeras” y tienen una capacidad
de alrededor de 20m3
- Medianas: Se las llama también “Mulas” y tienen una capacidad
de alrededor de 12m3
- Pequeñas: Son las volquetas más comunes en el medio y tiene
una capacidad de 7-9m3
Proveedores y Marcas en el mercado
- Case
- Fiatalicis
- John Deere
- Komatsu
- Caterpillar
99
11.3 Excavación y Proceso Constructivo
Una vez determinada la posición del puente respecto a la vía así como
la cota de cimentación para los estribos procedente de los estudios de
suelo, geotécnicos, hidráulicos y geofísicos se procede a replantear la
ubicación exacta en el terreno para comenzar con la excavación y
movimientos de tierra pertinentes, para el cual hace uso del equipo
caminero antes mencionado.
Figura No. 46: Planta del tablero del Puente sobre el Río Chantaco
100
La máquina idónea para realizar las excavaciones en la mayoría de los
casos es la excavadora debido a su potencia y longitud de operación,
sin embargo cuando se trata de grandes volúmenes de tierras y
materiales rocosos un excelente complemento a la primera es el tractor
con hoja de empuje cuya potencia es indudablemente necesaria.
Consideraciones Generales
Uno de los factores a tener mucho en cuenta en el proceso de
excavación es la pendiente del terreno así como el tipo de suelo en el
que se va a excavar ya que el uso de la maquinaria está limitado por
estos factor, siendo capaces de operar en pendientes pronunciadas en
caso de que el material sobre el que se encuentra operando sea lo
suficientemente resistente para soportar el peso de las mismas. Un
procedimiento empleado para trabajar con pendientes altas y terrenos
de diferentes características es el de conformar terrazas o escalones de
anchos aproximados de 5m para que la máquina pueda operar y
excavaciones de 3m de profundidad con el fin de que las paredes de los
escalones sean lo más estable posible sin riesgos de
desmoronamientos hasta llegar a la cota de cimentación.
Por otro lado en caso de que el material que se esté excavando es un
material relativamente duro o incluso roca será necesario hacer uso de
101
material explosivo dañando la roca y permitiendo que la máquina pueda
extraer el material para poder llegar a la cota de cimentación.
Cabe mencionar, puesto que se está trabajando a las orillas de un Río o
quebrada, al realizar las excavaciones frecuentemente se tendrá el
problema de inundación en el área excavada para lo que será de vital
importancia la utilización de un equipo de bombas centrífugas de gran
potencia durante toda la excavación con el fin de mantener el sitio lo
más seco posible para así realizar los trabajos de preparación y
fundición de las cimentaciones.
Por seguridad del personal es necesario colocar entibados y
tablestacados que puedan evitar accidentes como desprendimientos
laterales de tierras, cuidando de esta forma el personal que se
encuentra maniobrando dentro de la excavación.
102
Figura No. 47: Esquema de escalonamiento y bombeo durante la excavación para un
estribo del Puente
Una vez alcanzada la cota de cimentación o muy cerca de ella es
necesario verificar los estratos conforme al diseño entregado por el
geotécnico ya que de ser el caso de encontrar material de mala calidad
se debe hacer un mejoramiento de ese suelo con material granular de
base o sub base e incluso con hormigón ciclópeo o terra cemento
(mezcla de cemento con material granular).
La excavación debe tener por lo menos 80 cm. Libre a cada lado de la
cimentación para que cuando se valla a armar la cimentación halla
suficiente espacio para maniobro del personal dentro de la excavación.
103
Figura No. 48: Vista transvesal del área de excavación en el estribo derecho del
Puente sobre el Río Chantaco.
En caso de que el material excavado sea de buena calidad este es
reutilizado y compactado al 95% del próctor modificado para conformar
la superficie sobre la cual será colocada la zapata de cimentación y
luego también se colocará a los lados del estribo.
Para el caso de que el material excavado sea de mala calidad, éste es
desalojado y es aquí donde intervienen las volquetas llevando este
material a botaderos y escombreras con el fin de evitar impactos
ambientales futuros.
104
Teniendo una superficie conformada sobre la cual colocar la zapata de
cimentación se funde un replantillo de espesor de 7 a 10cm. Con
hormigo de f’c=180kg/cm2, se realiza el encofrado y el posterior armado
de la estructura para luego de chequeada y aprobada realizar la
fundición de la misma.
Es muy conveniente utilizar aditivos expansores de agua mezclados en
el hormigón reduciendo agrietamientos y la permeabilidad pero
aumentando la resistencia de la pasta endurecidas en cavidades
cerradas herméticamente, no contiene cloruros u otros productos
químicos que corroen el acero de refuerzo. A continuación se detallará
el proceso constructivo en secuencia que se empleará para la
construcción de los estribos del puente sobre el Río Chantaco.
11.3.1 Excavación para la construcción del estribo.
Una vez realizada la introducción del equipo caminero (Capítulo 11.2),
para el movimiento de tierra en la zona de los estribos derecho e
izquierdo del puente sobre el río Chantaco, se empleará la siguiente
maquinaria:
- Una Excavadora Caterpillar 320.
- 3 Volquetas de 8 m3 de capacidad.
105
Además de tablestacas (subcapítulo 11.3.2) y estructuras metálicas de
soporte para evitar un posible desmoronamiento de suelo.
Antes de realizar la excavación, se debe realizar un correcto replanteo
y trazado. En la Figura No. 49 y 50 se muestran las ubicaciones
donde se va a realizar la excavación en planta y perfil
respectivamente. Luego del estudio geotécnico, se obtuvo el perfil
estratigráfico de los suelos de cimentación y por tratarse de materiales
de consistencia dura en caso de arcillas y limos y materiales de
compacidad relativa muy densa de tratarse de arenas y gravas, se
recomienda realizar los cortes con un talud 1H:2V.
Figura No. 49: Vista en planta de la ubicación de los estribos derecho e
izquierdo, donde se realizará la excavación.
106
Figura No. 50: Vista en perfil de la ubicación de los estribos derecho e
izquierdo, donde se realizará la excavación.
En la Fig. No. 50 se observa en el estribo derecho el perfil de corte
que se realizará al momento de la excavación, situación muy similar
se efectuará en el estribo izquierdo.
Con ayuda de la excavadora, maquinaria indispensable para realizar
este tipo de excavación debido a su gran longitud útil de excavación
(en el caso de la excavadora 320 cuya pluma de alcance alcanza
aproximadamente los 6.0 m), siguiendo el talud mencionado
realizando terrazas de manera consecutiva hasta llevar de esta
manera a la cota de cimentación (Ver plano Geotécnico en el Anexo
4). En la Figura No. 51 se muestra la excavadora Caterpillar 320 que
se empleará para la excavación de la zona en los estribos del puente.
107
Figura No. 51: Vista de la excavadora Caterpillar 320, para efectuar la
excavación en la zona de los estribos del puente.
Nótese que la excavadora debe tener sistema de orugas en su
movilización para que exista mayor adherencia y agarre al terreno.
Para el proceso de excavación en la zona de los estribos, la
excavadora deberá aproximarse cuan más pueda al borde del talud
que va realizando durante la excavación para seguir excavando, la
Figura No. 52 se muestra la excavadora realizando una excavación.
108
Figura No. 52: Excavación durante la construcción de la cimentación.
Luego se deberá ir excavando con talud 1H:2V, un corte
recomendablemente de 3 m. de alto, realizando una berma (descanso
horizontal) de aproximadamente 4.0 a 5.0m de longitud, como se indicó en la
Figura No. 48 de tal manera que la excavadora tenga posibilidad de ir
accediendo a cada berma en sentido superior a inferior, realizando el corte
necesario para llegar a la cota de cimentación establecida en el análisis
geotécnico. En la Figura No. 53 se presenta la secuencia de excavación de
berma a berma que seguirá la excavadora hasta llegar a la cota de
cimentación. En caso de dificultades para acceder a las bermas inferiores se
deberá acomodar el talud (puede ser más tendido), de tal manera que la
maquinaria (excavadora y volqueta) pueda acceder sin dificultad, y poder
subir al momento de realizar el desalojo del material excavado.
109
Figura No. 53: Secuencia de excavación realizando bermas hasta llegar a la
cota de cimentación.
11.3.2 Sistema de entibado, usos, propiedades y características.
Cuando se realiza una excavación, es evidente que se alteran las
propiedades del suelo y es muy común el derrumbe del mismo, más
aún tratándose de materiales arenosos o con alto contenido de arena,
en arcillas de consistencia muy dura es menos probable el derrumbe
de tierra debido a las fuerzas cohesivas entre las partículas de dicha
arcilla, sin embargo muy a menudo cuando se realizan excavaciones
están presentes los desmoronamientos de tierra, ya sea por la clase
110
de material, por la presencia del nivel freático o por el talud de corte
poco tendido. Por esta razón se emplean entibados que son una
especie de paredes de soporte que contrarresta al derrumbe de tierra.
Para la excavación en la zona de los estribos, de necesitarse, se
recomienda el uso de tablestacados para la función de entibamiento.
Tablestacados
Las tablestacas, conectadas o semiconectadas, a menudo se usan
para construir muros continuos de estructuras costeras que van desde
embarcaderos para lanchas pequeñas de recreo hasta muelles para
embarcaciones de gran tamaño, también se emplean en la
construcción de sótanos, por ejemplo el sótano de un gran centro
comercial y para el caso en estudio, la construcción de cimentaciones
para estructuras como es el caso del estribo de un puente. A
diferencia con la construcción de otros tipos de muros de contención,
los muros de tablestacas, o tablestacados, no requieren usualmente el
desagüe del sitio. Las tablestacas se usan también para algunas
estructuras temporales, como cortes apuntalados.
Comúnmente se usan varios tipos de tablestacados en construcción:
- De madera
- De concreto prefabricado
- De acero y existen comercialmente las de aluminio.
111
Las tablestacas de madera se usan sólo para estructuras ligeras
temporales arriba del nivel freático, ya que cualquier contacto con el
agua podría afectar las propiedades según sea el tipo de madera
empleada, causando un grave problema.
Las tablestacas de concreto prefabricado son pesadas y se diseñan
con refuerzo para resistir los esfuerzos permanentes a los que la
estructura estará sometida después de la construcción y también para
tomar los esfuerzos producidos durante la construcción.
Las tablestacas de acero, que son las de mayor empleo, en Estados
Unidos, tienen un espesor que oscila entre los 10 a 13 mm. Las
conexiones Europeas son más delgadas y más anchas, las secciones
pueden ser en Z, de arco profundo, de arco bajo o de alma recta. Las
interconexiones entre tablestacas tienen forma de pestañas o de rótula
a manera de ranuras para obtener conexiones herméticas. En la
Figura No. 54 y 55 se muestra una tablestaca de acero y su forma de
conexión a manera de ranura.
En la Figura No. 56, como referencia se pueden observar algunas de
las geometrías de las secciones para tablestacas más empleadas y
producidos por la Bethlehem Steel Corporation en los Estados Unidos.
Los esfuerzos admisibles de diseño por flexión para las tablestacas de
acero se muestran en la Tablas No. XVII.
112
Figura No. 54: Entibado con tablestacados.
Figura No. 55: Interconexión de pestañas en tablestacas.
113
Figura No. 56: Geometría de los perfiles típicos de tablestacados.
114
Tabla XVII: Esfuerzos admisibles de diseño por flexión para las tablestacas.
Tipo de Acero
Esfuerzo admisible (MN/m2)
ASTM A-328 170
ASTM A-572 210
ASTM A-690 210
Método de empleo
Los tablestacados se clasifican en dos tipos básicos: en voladizo y
anclados.
En la construcción de tablestacados, las tablestacas pueden
empotrarse en el terreno y entonces colocarse el relleno del lado del
terreno o empotrarse en primer lugar la tablestaca en el terreno para
después dragar el suelo frente a la tablestaca. En cualquier caso, el
suelo utilizado para el terreno de relleno detrás de la tablestaca debe
ser granular, generalmente una grava con arena bien compactada.
Se concluye que existen dos métodos de empleo del tablestacado, el
primero es mediante una estructura rellenada y la otra es mediante
una estructura dragada.
La secuencia de empleo para una estructura rellenada es la siguiente:
- Dragar el suelo in situ al frente y atrás de la estructura propuesta.
- Hincar las tablestacas.
115
- Rellenar hasta el nivel del ancla y colocar el sistema de anclaje.
- Rellenar hasta la parte superior de la pared.
La secuencia de empleo para una estructura dragada es la siguiente:
- Hincar las tablestacas.
- Rellenar hasta el nivel del ancla y colocar el sistema de anclaje.
- Rellenar hasta la parte superior de la pared.
- Dragar frente a la pared.
En las Figuras No. 57 y 58 se muestran los sistemas de empleo para
una estructura rellenada y una dragada, respectivamente. Para el
manejo e instalación de los tablestacados se debe usar la
retroexcavadora o en su defecto una excavadora para maniobrar y
colocar los tablestacados. En la Fig. No. 59 se muestra el manejo de
los tablestacados en su colocación y el la Fig. No. 60 se puede
observar el sistema instalado. Para la estructura del estribo a
construirse es conveniente usar el sistema de empleo de estructura
rellenada debido a que la geometría del talud atrás del tablestacado es
muy similar debido a la excavación que se va a efectuar.
116
Figura No. 57: Sistema de tablestaca para una estructura rellenada.
Figura No. 58: Sistema de tablestaca para una estructura dragada.
117
Figura No. 59: Colocación del tablestacado con ayuda de la excavadora.
Figura No. 60: Entibado mediante tablestacado.
118
11.3.3 Desalojo del material.
En el desalojo del material se emplea la volqueta, que será de mucha
utilidad para almacenar el material que ha sido excavado por parte de
la excavadora y ser depositado en una escombrera en caso de existir
o en alguna zona que no vaya a general un problema ambiental a
futuro.
En la Figura No. 61 se puede observar como la excavadora deposita
el material en la volqueta para su desalojo.
Figura No. 61: Depósito del material de desalojo en la volqueta.
119
11.3.4 Rendimiento de equipos.
El rendimiento es una proporción entre los resultados obtenidos y los
medios que se utilizaron para obtener dichos resultados, el concepto
de rendimiento se encuentra vinculado directamente al de efectividad
y eficiencia por lo que es necesario conocer estos conceptos:
La EFECTIVIDAD mide la capacidad para alcanzar un efecto
deseado, mientras que la EFICIENCIA por su parte hace referencia a
la capacidad de alcanzar dicho efecto con la menor cantidad de
recursos posible.
El rendimiento es conocido como el trabajo útil ejecutado (que puede
ser en m3 o en m2) en una unidad de tiempo:
El rendimiento puede ser expresado en 3 diferentes formas o
maneras, dependiendo de la comodidad o facilidad de operación de
cada máquina.
La primera forma de medir el rendimiento de una maquina por
ejemplo en una cantera tomando como base los requisitos de cuanto
es la producción total o demanda requerida, es decir si se tiene un
plazo para producir una cantidad de metros cúbicos de material la
120
maquina deberá producir una cantidad de metros cúbicos diaria para
de esta forma cumplir con lo que se necesita.
La segunda forma es midiendo o estimando el rendimiento de una
maquina específica para luego determinar el número necesario de
estas máquinas para obtener la producción que se requiere.
La tercera forma es como obtener el rendimiento en función del
costo, aunque esta es probable que no sea muy exacta, sino hasta
después que se conozcan las características de la obra y el
rendimiento del equipo.
Para sacar el rendimiento de una maquina hay que conocer cómo
trabaja la máquina y las dimensiones de sus herramientas.
Otro concepto importante y muy necesario en el rendimiento de
maquinarias es el ciclo de trabajo en el cual una maquina emplea
varias operaciones para completar correctamente un trabajo, el
tiempo transcurrido en estas actividades es denominado tiempo de
ciclo (Tc) que se mide en horas, minutos o segundos y varia para
cada maquinaria en general.
121
11.3.4.1 Rendimiento de una Excavadora
Donde:
Vt: Capacidad del Cucharon de la Excavadora
Fe: Factor de Eficiencia de la máquina que varía entre 70 y 80%
F´e: Eficiencia del Cucharon de la Excavadora que depende del tipo
de material a excavar:
Tipo de Material Fe´
Flojo 0.9 - 1
Medio 0.8 – 0.9
Duro 0.5 – 0.8
Tabla XVIII: Coeficientes de Eficiencia del Cucharon para una Excavadora
dependiendo del tipo de Material a excavar.
Ct: Coeficiente de Transformación según la clase del terreno a
excavar:
Clase de Terreno Material Esponjoso Material
Compactado
Tierra 1.25 0.9
Arcilla 1.4 0.9
Arena 1.1 0.95
122
Tabla XIX: Coeficientes de Transformación del Cucharon para una Excavadora
dependiendo de la clase de terreno a excavar.
Tc: Tiempo de Duración del Ciclo en segundos, comprende
excavación, giro hasta la descarga y giro hasta el origen o inicio del
ciclo con rotación teórica de 90º. Este tiempo de pende del tipo de
material:
Tipo de Material Tc (Segundos)
Flojo 15-20
Medio 20-25
Duro 25-30
Tabla XX: Tiempo del Ciclo para una Excavadora considerando el tipo de
material.
11.3.4.2 Rendimiento de una Volqueta
Vc: Capacidad del Material cargado en la Volqueta en m3
Fe: Factor de Eficiencia de la máquina que varía entre 70 y 80%
Tc: Tiempo de Duración del Ciclo en minutos, comprende la carga,
transporte o acarreo del material, descarga y retorno hasta el origen
o posición de carga nuevamente.
123
11.3.5 Calculo del Rendimiento para la excavación de los estribos del
Puente sobre el Rio Chantaco.
Rendimiento de la excavadora
Datos
Volumen del cucharon de la excavadora: 1.2m3
Tipo de material a excavar: En su mayoría suelo granular, Gravas y
Arenas de compacidad relativa media, por lo que se tendría un
F´e=0.85 y un Ct=0.95 según las tablas XVIII y XIX además de un
Tc=25segundos según la tabla XX
Rendimiento de una volqueta
Datos
Volumen de la volqueta: 8m3
Distancia de Acarreo: 300m
124
Velocidad de transporte teórica: 20km/h
Para cargar la volqueta son necesarios aproximadamente 6.67 ciclos
realizados por la excavadora, donde cada ciclo de la excavadora
tarda aproximadamente 25 segundos ya que se trata de un material
de tipo medio según la tabla XX. Por lo tanto se tiene que el tiempo
de carga es aproximadamente de 3min.
Considerando la distancia de acarreo de 300m y una velocidad
constante de 12km/h tenemos un tiempo de acarreo de 3min
incluyendo el retorno al sito de carga, se considerando además un
tiempo fijo de 4 min adicionales para la descarga, entonces
tendríamos un total de 10mim aproximadamente para completar un
ciclo completo de la volqueta (Tc=10min).
Calculados los rendimientos se puede concluir que se necesita
aproximadamente 3 volquetas de 8m3 para transportar la producción
de una excavadora con las características dadas.
Ahora si consideramos un volumen de excavación total de 9000m3
para ambos estribos podríamos decir que con 3volquetas y
125
1excavadora se podría excavar y transportar aproximadamente
108m3 por hora y necesitaríamos aproximadamente 80h para
terminar la excavación y desalojo del material es decir alrededor de
10 días de 8h de trabajo con este equipo de maquinaria .
CAPITULO 12
12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La cota de desplante debe ser de 1327.25 m.s.n.m. para ambos
estribos con el fin de tener una estructura simétrica.
El ancho de zapata para el estribo derecho es de 6.0 m., obteniendo
una capacidad portante admisible qa de 853.15 kPa
aproximadamente (Tabla XII), el ancho de zapata para el estribo
izquierdo es de 6.0 m., obteniendo una capacidad portante admisible
qa de 1912.80kPa aproximadamente (Tabla XIII).
El valor de asentamiento elástico (inmediato) para el estribo derecho
se estima en 10.7 mm (Tabla XIV), mientras que para el estribo
izquierdo se obtiene un asentamiento elástico de 5.4 mm (Tabla XV).
Se debe excavar con un talud 1H: 2V para la construcción de los
estribos.
El rendimiento obtenido para la excavadora fue de 104.652m3/h y el
de la volqueta fue de 36m3/h por lo que se concluyó que son
127
necesarias tres Volquetas de 8m3 de capacidad para transportar la
producción de una excavadora con las características presentadas y
finalmente conseguir terminar la excavación para los estribos en un
lapso de 10 días aproximadamente.
Se recomienda emplear un equipo caminero constituido por una
excavadora Caterpillar 320 y tres Volquetas de 8m3 para obtener el
rendimiento calculado (Capitulo 11).
En caso de encontrarse con rocas o suelos muy densos es
recomendable la utilización de maquinaria de mayor potencia como
los tractores con pala de empuje (Bulldozers).
En caso de derrumbe o desprendimiento de suelos menos densos en
las paredes durante la excavación, se recomienda el uso de
entibados, pudiendo ser este el empleo de tablestacados
(Capitulo 11)
128
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
1. Braja M. Das, Fundamentos de ingeniería en cimentaciones.
2. Donald P. Coduto, Foundations Design, principles and practices.
3. Reese, Analysis and Design of shallow and Deep foundations.
4. José Santos Sánchez, Cimentaciones sobre medias ladera, puentes
y edificaciones.
5. Huang & Mayne, Geotechnical and geophysical site characterization.
6. Luis Gonzales, Ingeniería geológica.
7. Evert Hoek, Practical Rock engineering.
8. Muni Bhudu, Soil Mechanics and Foudations.
9. Michael E. Kalinski, Soil Mechanics laboratory manual.
10. Juan Cherné y Andrés Gonzales, Monografía:Construcciones
Industriales.
11. Richard Mamani Limachi, Monografía: Maquinaria y equipo de
construcción.
12. Apuntes de clases del seminario de graduación: Procesos
constructivos de una carretera, dictado por el Ing. Eduardo
Santos Baquerizo.
