ENGINYERIA ESTRUCTURAL A LARQUITECTURA

LLORET,A. VAUNAT,J. PUIG DAMIANS,I.

MECNICA DEL SL I FONAMENTS

MSTER: ENGINYERIA ESTRUCTURAL A

LARQUITECTURA

MECNICA DEL SL I FONAMENTS

Excavacions i estructures de contenci (I).

Antonio Lloret Jean Vaunat

Ivn Puig Damians Departament dEnginyeria del

Terreny, Cartogrfica i Geofsica. UPC

PROGRAMA

1.- Excavaciones sin sostenimiento: Estabilidad de taludes

1.1 Introduccin 1.2 Mtodo del equilibrio lmite 1.3 Efecto del tiempo 1.4 Efecto del agua 1.5 Mtodo de las rebanadas 1.6 Mtodos de diseo 1.7 Correccin de taludes inestables 1.8 Descripcin de un caso real 1.9 Problema

2.- Muros de contencin

2.1 Empuje de tierras

2.1.1 Empuje al reposo 2.1.2 Empuje activo 2.1.3 Empuje pasivo 2.1.4 Influencia de los movimientos

2.2 Tipologa de muros

2.2.1 Muros de gravedad 2.2.2 Muros de escollera 2.2.3 Gaviones 2.2.4 Muros en L y en T 2.2.5 Muros prefabricados 2.2.6 Tierra armada 2.2.7 Muros verdes

2.3 Clculo de empujes

2.3.1 Mtodo de Coulomb 2.3.2 Efecto de una sobrecarga extensa 2.3.3 Efecto del agua 2.3.4 Efecto de cargas en faja o puntuales 2.3.5 Empuje pasivo

2.4 Aspectos constructivos

2.4.1 Drenaje 2.4.2 Filtros

2.5 Proyecto

2.5.1 Predimensionamiento 2.5.2 Comprobaciones

2.6 Problema

1 EXCAVACIONES Y ESTRUCTURAS DE CONTENCIN

Excavacin en desmonte

(TALUDES)

Estructura de contencin rgida. Distribucin de empujes poco sensible a la deformacin de la estructura.

(MUROS)

Estructura de contencin flexible. Distribucin de empujes sensible a la deformacin de la estructura.

(PANTALLAS)

2

ESTABILIDAD DE TALUDES EN DESMONTES

3

ESTABILIDAD DE TALUDES EN LADERAS NATURALES

4 ESTABILIDAD DE TALUDES: Mtodo del equilibrio lmite

a) Se considera una posible superficie de deslizamiento. El resto de suelo acta como bloques rgidos durante el deslizamiento.

b) Mediante equilibrio de fuerzas se calcula la tensin normal (total n , efectiva n) y tangencial () movilizadas a lo largo de la superficie de deslizamiento.

c) Se evala la resistencia al corte en la superficie de rotura (f )

f = c + n tag (f = cu en condiciones no drenadas)

d) Se calcula el coeficiente de seguridad:

- Local, FS = f / o Global, FS =

L

L f

dl

dl

e) Se repiten los pasos a)-d) hasta encontrar un coeficiente de seguridad mnimo.

Habitualmente se exige que FS >1.5

W

n

5

Verificacin de la Resistencia segn Cdigo Tcnico de la Edificacin (CTE)

La resistencia local o global del terreno quedar verificada si se cumple, para las situaciones de dimensionado pertinentes, la condicin:

Ed Rd Siendo:

Ed el valor de clculo del efecto de las acciones; Rd el valor de clculo de la resistencia del terreno.

Ed= E E( F Frepr ; Xk/M ; ad) Rd= R( F Frepr ; Xk/M ; ad) / R

Siendo:

E el coeficiente parcial para el efecto de las acciones; R el coeficiente parcial de resistencia;

Frepr el valor representativo de las acciones; F el coeficiente parcial para las acciones;

XK el valor caracterstico de los materiales; M el coeficiente parcial para las propiedades de los materiales

ad el valor de clculo de los datos geomtricos;

En taludes : R = 1,5 para situaciones persistentes y transitorias; R = 1,1 para situaciones extraordinarias. E = F = M= 1

E E( F Frepr ; Xk/M ; ad) R( F Frepr ; Xk/M ; ad) / R

F.S.= R(Frepr ; Xk; ad) / E(Frepr; Xk; ad) R =1.5

6

7

EXCAVACIONES SIN SOSTENIMIENTO : Efecto del tiempo

Hiptesis de suelo arcilloso saturado (0) (1) (2) Estado inicial Estado a corto plazo Estado final (Sin drenaje)

h - h0 < 0

u2 u0 u < 0 h0

v1 v0 v1

h1 - u1

v0

u0 u1 < u0

v2 v0 v2 < v1

h2 < h1

u > 0

Excavacin

media

corte

u agua

Resistencia

Factor de seguridad

cu

u1?

Confinamiento efectivo disminuye Resistencia al corte disminuye

Tiempo

EXCAVACIONES EN ARCILLA BLANDA SEGURIDAD MENOR A LARGO PLAZO Arena

Arcilla

8 TALUD VERTICAL EN ARCILLA: Corto Plazo ( u? cu)

Equilibrio lmite. Lneas de deslizamiento rectas:

Superficies circulares:

H puede ser alto si el suelo tiene una resistencia al corte sin drenaje alta:

Arcilla muy blanda: cu= 0.5 T/m2 H crit 0.9 m Arcilla media: cu= 5 T/m2 H crit 9 m Arcilla firme cementada: cu= 10 T/m2 H crit 18 m

En las antiguas Normas NTE (CCT) se aplica un factor de seguridad de 2

para excavaciones provisionales. En zanjas y pozos (ancho < 2 m) la profundidad mxima permitida sin entibar es slo de 1.3 m

H

W cu H / sen()

N

F.S.= cu H / sen()

W sen() Psimo = 45 F.S.= 4 cu

H

F.S.= 3.83 cu H

H Crtica = 3.83 cu /

9 TALUD VERTICAL EN ARCILLA : Largo Plazo ( u conocido c , )

Arenas: c=0 H=0 La no saturacin puede crear cohesiones aparentes altas por efecto de la

succin que puede mantener de forma temporal taludes verticales de cierta entidad en suelos parcialmente saturados.

u

H

W c H / sen

N

N tag tag Psimo =

Hc

tag

'2'1+

H Crtico = )2'

4('4

+tagc

10 Resistencia de un suelo parcialmente saturado

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25Tensin vertical neta, (v-ua) MPa

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Tens

in

de co

rte,

(MPa

)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50Succin, (ua-uw) MPa

' = 29.0(ua-uw )

= 0.40 M

Pa

wn=15.7

%

(ua-uw)=0 (wf

21.6%)

'=21.0

(ua-uw)=0.05 MPa

wf 21.6%

b '(Sr>0.95)

b=14.1

(v-ua):0.20 MPa0.07 MPa

wn=15.7%

f = c+ (ua-uw) tan b + (-ua) tan = cap+ (-ua) tan

11 TALUD INDEFINIDO: Efecto del agua

isenidtagpidcFS w

cos')cos(' 2

+

=

Si pw=0 (talud sin agua) y c=0 (sin cohesin) : itagtagFS '=

Si talud saturado y flujo paralelo a la superficie del talud con c=0 (sin cohesin) : itag

tagitag

tagFS w '5.0'

=

12 CASO DE GEOMETRA GENERAL Mtodos de las rebanadas

S = r/F =

FlctagN +''

Incgnitas: n N n a n-1 EL 5n-2 n-1 XL incgnitas n-1 y 1 F S Ecuaciones Equilibrio 3 n Hiptesis suplementarias 2n-2

Diferentes mtodos segn tipo de hiptesis suplementarias por ejemplo: a=l /2, y/H impuesto, EL/XL impuesto......

13 METODO DE BISHOP

Diferentes mtodos segn tipo de hiptesis suplementarias por ejemplo: a=l /2, y /H impuesto, EL/XL impuesto......

F = M resistente / M volcador

14

GEOMETRAS SENCILLAS TABLAS Y BACOS bacos de Taylor

FS = c real / c clculo = tag real / tag clculo

c Clculo

c real

tag Clculo

tag real

15

GEOMETRAS COMPLEJAS PROGRAMAS PC STABL .-Pardue University (1975............

16

SLOPE/W (Geo-Slope international Ltd.)

17

I.L.A.

18

19

CORRECCIN DE TALUDES INESTABLES CORRECCIN

DE LA

GEOMETRA

MUROS

ANCLAJES

DRENAJE

20

CORRECCIN DE GEOMETRA

FS 0

21

MUROS

22

ANCLAJES

23

ANCLAJES

24

DRENAJE

25

LADERA INESTABLE EN CERCS

26

LADERA INESTABLE EN CERCS

Clculos STABL

Medidas correctoras

27

LADERA INESTABLE EN CERCS

Efecto combinado de diversas medidas correctoras

28

EMPUJE DE TIERRAS Estado de tensiones in situ: Coeficiente de empuje en reposo K0 = h/v

Expresiones aproximadas para K0 Jaky K0=1-sen Ireland K0=0.95-sen Alpan K0=0.19+0.233 log IP

(sedimentacin)

h=K0 v

v

K0 h

v 1

v (erosin)

h=K0 v

1 h

v

K0

K0 (SC) >K0 (NC)

N.C

S.C

29 ENSAYO DE LABORATORIO EN ARCILLA

h

v

v

0

0

OCR= (v max/'v)

30 K0 EN SUELOS SOBRECONSOLIDADOS : OCR= (v max/'v) >1

Valores tpicos de K0:

Obtencin de K0 ? Medida de OCR en edmetro Modelacin de historia de tensiones verticales (datos geolgicos) Medida tensiones in situ (ensayo presiomtrico...)

Arena densa 0.35-0.40

Arena suelta 0.55-0.60

Arcilla blanda 0.50-0.60

Arcilla compactada 1-2

Arena compactada 1-1.5

OCR

31

EMPUJE DE TIERRAS

Teora de Rankine: Estado activo

Si aumenta, h disminuye hasta que en el plano de orientacin ms desfavorable (= /4 +/2), la combinacin , n se sita sobre la envolvente de rotura. Entonces, se cumple:

aav

v

vh

KcKsen

csensen

tagctag

'2''1

'cos'2'1'1'

)2'

4('2)

2'

4('' 2

=

+

+

=

==

Si c= 0 entonces '1'1

''

sensenKa

v

h

+

==

En un suelo homogneo sin cohesin y con superficie horizontal si la presin de agua =0 y no hay sobrecargas: zKah =

v

h

n

c+n tag

n

32

Teora de Rankine: Empuje activo

Todo el suelo est en rotura y el deslizamiento se produce globalmente siguiendo lneas de pendiente . La distribucin de tensiones horizontales sobre un plano vertical resulta:

v

h

n

c+n tag

n

Si c0 existen tracciones horizontales ( )0'

33

EMPUJE DE TIERRAS

Teora de Rankine: Estado pasivo

Si aumenta, h aumenta hasta que en el plano de orientacin ms desfavorable (= /4 - /2), la combinacin , n se sita sobre la envolvente de rotura. Entonces, se cumple:

ppv

vh

KcK

tagctag

'2'

)2'

4('2)

2'

4('' 2

+=

=+++=

Si c= 0 entonces )2'

4(

'' 2

+== tagK pv

h

En un suelo homogneo con superficie horizontal y sin cohesin, si la presin de agua =0 y no hay sobrecargas: zK ph =

Kp>>Ka ; Kp=1/Ka

v

h

n

c+n tag

n

34

DESPLAZAMIENTOS NECESARIOS PARA ALCANZAR EL ESTADO DE ROTURA

Deformaciones necesarias para alcanzar el estado activo y pasivo

Tipo de suelo Rotacin (Y/H) Estado activo Estado pasivo Arena densa 0.0005 0.002 Arena suelta 0.002 0.006 Arcilla dura 0.01 0.02 Arcilla firme 0.02 0.04

(Para alcanzar el estado pasivo en un muro de 5 m de altura con arcilla blanda el desplazamiento debe ser del orden de 20 cm)

35

ESTRUCTURAS DE CONTENCIN RGIDAS La estructura se deforma poco y los empujes no dependen de la forma de la deformada de la estructura de contencin. Muros de gravedad

Muros de semi-gravedad

Mnima pendiente

36

Muros de gravedad de mampostera

37

Muros de escollera

38

Gaviones

39

Muros de hormign en T y L

40

Muros de hormign en T y L (construccin)

41

Muros de hormign prefabricados

42

Muros jaula

43

Muros de placas de hormign y suelo reforzado

44

Suelo reforzado

45

Bloques prefabricados

46

CALCULO DE EMPUJES SOBRE MUROS Mtodo de Coulomb: Suelo sin cohesin y sin agua No se conoce el valor de E y F pero s su direccin. Se vara hasta encontrar el valor mximo del empuje E.

47 En un caso ms general (con cohesin y agua):

48 Valores del ngulo de rozamiento tierras muro (ROM 0.5-94) /

Paramentos lisos (tratados con asfalto, etc.) 0 Acero 2/3

Hormign prefabricado 2/3 Hormigonado contra el terreno 1

Rotura por el terreno 1 Arena en contacto con :

Hormign o ladrillos 20

Acero 15

CTE (2006): El rozamiento entre el terreno y el muro influye sobre la magnitud del movimiento necesario para la movilizacin total de los empujes por lo que, salvo una justificacin especial, se tendrn en cuenta las estimaciones siguientes del ngulo de rozamiento entre el terreno y el muro:

a) para empuje activo y muro rugoso; 2/3 , como es la situacin de muro encofrado contra el terreno

b) para empuje activo y muro poco rugoso; 1/3 , como

es la situacin de muro encofrado a doble cara

c) para empuje activo y muro liso: = 0, si se emplea la hiptesis de Rankine o el empleo de lodos tixotrpicos

d) para empuje pasivo: 1/3

El valor de empleado en la evaluacin de no debe superar el ngulo de rozamiento interno crtico del suelo.

49

EMPUJE SOBRE TRASDS QUEBRADO

50

En casos sencillos es posible encontrar analticamente el valor del empuje.

Si en lugar de lneas de deslizamiento rectas se utilizan curvas los empujes cambian muy poco.

Componente horizontal del empuje : EH =1/2 Ka H2 cos(+) =1/2 Kah H2 Componente vertical del empuje : Ev =1/2 Ka H2 sen(+) =1/2 Kav H2 Empuje unitario sobre el paramento: e (h) = h Ka cos eH(h)= h Kah cos

eV(h)= h Kav cos

51

SOBRECARGA EXTENSA

Cuando existen varios materiales, el terreno superior puede suponerse como una sobrecarga para el clculo de los empujes en el terreno inferior. Si la superficie es horizontal (=0):

U2

h2= H1 1 Ka2+ Ka2 2 (prof-H1) 1) 1 , Ka1 H1

2) 2 , Ka2

52

EFECTO DEL AGUA

T

W

U1 U2

N

E T

U2

E

Fuerzas sobre el trasds del muro

Fuerzas sobre la cua de terreno

53

W1

U2 Si el agua est en equilibrio hidrosttico, E puede calcularse con el peso especfico sumergido del suelo por debajo del nivel fretico.

W2- Wagua N E

T

U1 U2

Wagua

e (p)= Ka H1 +Ka (p-H1) e total (p) = e(p)+ agua (p-H1)

W

U1 U2

N

E

H1 p

54

SOBRECARGAS EN FAJA (ROM 0.5-94)

55

CARGAS LINEALES O PUNTUALES (ROM 0.5-94)

U2

56

CARGAS LINEALES O REPARTIDAS (CTE; DB SE-C)

U2

57

EMPUJE PASIVO Empuje pasivo segn la teora de la plasticidad

-

58 El empuje pasivo vara mucho con el valor del ngulo de rozamiento tierras-muro. Coulomb y Rankine slo proporcionan resultados aceptables si es pequeo. En general, puede ser grande y las lneas de rotura tienden a ser curvas, una buena aproximacin puede conseguirse suponiendo superficies de rotura con espirales logartmicas.

Kph= R cos (+) cos

59 BACOS PARA EL CLCULO DEL EMPUJE PASIVO (Caquot & Kerisel)

60

DRENAJE El empuje del agua puede llegar a ser muy importante si no existe drenaje.

61 Mtodo clsico mediante mechinales

Los mechinales presentan problemas de obturacin y durabilidad es mejor:

62 Otras alternativas:

Norma NTE - ASD

63

Efecto del agua en muros

Presiones de agua en trasds

64

Erosin- Filtros Para evitar el arrastre de los finos del suelo hacia los drenes la granulometra de los drenes y del material de relleno debe cumplir las condiciones de filtro siguientes:

Suelos granulares: D15 (filtro) < 5 D15 (relleno) ; 4 < D15(filtro) / D15 (suelo)< 20 ;

%(

65 Erosin Deben evitarse suelos poco plsticos con finos (limos, etc.)

66

PROCESO DE PROYECTO

Predimensionamiento Clculo de empujes Comprobaciones Deslizamiento global Seguridad al vuelco Seguridad al deslizamiento Tensiones en el terreno de cimentacin Comprobacin del muro como estructura

67

68 - Deslizamiento global: Mtodos de estabilidad de taludes Coeficiente de seguridad recomendado > 1.5 (puede ser 1.3 para cargas no permanentes)

69 Muros en T. Mtodo de Hairsine Resistencia al vuelco Momentos respecto a O

23 (1 )vFbmK

=

Coef seguridad al vuelco, Fv: Mnimo : 1.5 Recomendable: 2 Resistencia al deslizamiento Equilibrio de fuerzas horizontales

)1(2 mKF

Kb d

=

; = tag (cimiento-terreno)

Coef. seguridad al deslizamiento, Fd: Recomendable: 1.5 Hundimiento de la cimentacin Momentos respecto al punto medio de la base + Equilibrio fuerzas verticales:

Distribucin trapezoidal: 134

12 +

=mmjK

b

Coef. seguridad como carga de hundimiento de la cimentacin: 3

70

bacos: Mtodo de Hairsine Se busca m para que b sea mnimo : Datos: K, , Fv, Fd, j /(Fd K1/2) ; Fv ; j Ejemplo: /(Fd K1/2) = 0.9 FV=2.5 j=1.0

71

Muros sin taln En el libro Muros de contencin y muros de stano de J. Calavera se incluyen numerosos grficos para el dimensionamiento de diferentes tipos de muros. Por ejemplo, en muros sin taln:

F

72

Dimensionamiento de la estructura Rotura a flexin:

Otras comprobaciones:

Fisuracin Esfuerzo cortante

Esfuerzo rasante Fallo de solape

73 TABLAS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LAS ARMADURAS (J. Calavera) (Ejemplo, muros sin taln)

74 TABLAS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LAS ARMADURAS (Norma NTE; 1979)

75

Excavaciones y estructuras de contencin

Problema 1 En un suelo que tiene una resistencia al corte sin drenaje (cu) de 6.8 t/m2, un ngulo de rozamiento interno (') de 25, una cohesin efectiva (c) de 1 t/m2 y un peso especfico de 2 t/m3 se realiza una excavacin de 20 m de altura con un talud de 30. Por debajo del pie del talud el terreno es rocoso. Utilizando el baco de Taylor, obtener el factor de seguridad a corto y a largo plazo. Qu inclinacin debera tener el talud de la excavacin para que el factor de seguridad fuera de 1.5? Problema 2 Comprobar las condiciones de seguridad (vuelco y deslizamiento) de un muro de gravedad como el mostrado en la figura, para contener un terreno sin agua con una cohesin (c) nula, =30 y peso especfico natural de 2.0 t/m3. La pendiente de la superficie del terreno es de 6 . A efectos del clculo del empuje, considerar un rozamiento tierras-paramento interno del muro de 6; a efectos del clculo de la resistencia al deslizamiento, considerar un ngulo de friccin suelo-cimentacin de 0.95 y una adherencia de 0.8 t/m2. Considerar las dos geometras indicadas en la tabla. En el caso de la segunda geometra considerar el efecto de la existencia de un nivel fretico situado a 4m y 5 m de profundidad.

Geometra (m) h1 h2 b1 b2 b3 1 6 0.75 2.5 0.4 0.6 2 6 0.85 3.5 0.7 0.8

76

77

78

79

80

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Subsuelo (AETESS).- Gua para el diseo y la ejecucin de anclajes al terreno en obras de carretera. 2001.

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Investigation and Mitigation. TRB Special Report 247. National Academy Press. 1996.

Plantilla_caratula_apunts_12014_PortadaIExcavaciones y estructuras de contencin (2012) 1 de 3Excavaciones y estructuras de contencin 1 de 32010_2_EXCAVACIONES 1EXCAVACIONES Y ESTRUCTURAS DE CONTENCINESTABILIDAD DE TALUDES: Mtodo del equilibrio lmitea) Se considera una posible superficie de deslizamiento. El resto de suelo acta como bloques rgidos durante el deslizamiento.d) Se calcula el coeficiente de seguridad:Estado inicial Estado a corto plazo Estado finalTALUD VERTICAL EN ARCILLA: Corto Plazo ( u? ( cu)TALUD VERTICAL EN ARCILLA : Largo Plazo( u conocido ( c , )CASO DE GEOMETRA GENERAL

Excavacin en desmonteWnArenaArcilla

ResistenciaWNWNuEcuaciones

2010_3_EMPUJE DE TIERRAS1EMPUJE DE TIERRASTeora de Rankine: Estado activoTeora de Rankine: Empuje activoTeora de Rankine: Estado pasivoGavionesSuelo reforzadoBloques prefabricados

S.COCR= (v max/'v)Arena densaEstado activoEstado pasivoArena densa

2010_4_CALCULO DE EMPUJES1CALCULO DE EMPUJES SOBRE MUROSSuelo sin cohesin y sin agua

NNNW

2011_4_CALCULO DE EMPUJES1EMPUJE PASIVO

Excavaciones y estructuras de contencin (2012) 1 de 3Excavaciones y estructuras de contencin 1 de 32010_4_CALCULO DE EMPUJES1EMPUJE PASIVOBACOS PARA EL CLCULO DEL EMPUJE PASIVOEl empuje del agua puede llegar a ser muy importante si no existe drenaje.Mtodo clsico mediante mechinales/Norma NTE - ASD

Erosin- FiltrosD15 (filtro) < 5 D15 (relleno) ; 4 < D15(filtro) / D15 (suelo)< 20 ;%(m) en el filtro