Figura 2. Ejemplo de pantalla de pilotes separados sostenida con anclajes postensados.18Figura 1. Sistemas de contención mediante pilotes. a) Pilotes

separados. b) Pilotes tangentes. c) Pilotes entrelazados o secantes

Introducción

Pilotes anclados

a) b) c)

La continua construcción de edi�cios elevados en las ciudades más importantes del país induce la necesi-dad de construir sótanos cada vez más profundos que permitan abastecer su�cientes estacionamien-tos para las viviendas y o�cinas de los edi�cios. Sin embargo, en el país aún no se ejecutan sótanos de gran profundidad por la falta de tecnologías que permitan ejecutar excavaciones verticales sin riesgo de desmoronamientos del suelo o de las edi�cacio-nes vecinas, dejando sin resolver un problema que se hace cada vez mayor, como la escases de estacio-namientos o la incomodidad de estacionamientos en espacios reducidos. Otro problema que conlleva la creciente demanda de edi�cios, es que se tiene que construir y excavar al lado de edi�caciones preexistentes, causando por lo general asentamientos y �suras en las estructuras vecinas, debido a la excavación de los sótanos sin una contención adecuada.En el presente artículo se muestran distintas tecnolo-gías seguras de contención de excavaciones profun-das, tales como pilotes anclados, muros pantalla o contenciones mediante soil nailing.

Los pilotes anclados pueden ser usados para conte-ner excavaciones en cualquier tipo de suelos, con o sin nivel freático. Los pilotes tienen por lo general un diámetro entre 0.80 y 1m, por lo que son estructuras muy rígidas que no permiten que se deforme el suelo y por tanto ofrecen gran seguridad a las estructuras vecinas. Conforme se va incrementando la altura de excavación, los pilotes son reforzados con anclajes postensados, de tal forma de ir controlando las deformaciones, manteniéndolas en todo momento en niveles admisibles.

Dependiendo de la rigidez del suelo y de la existen-cia del nivel freático, la pantalla se puede conformar con pilotes separados, tangentes o secantes. Si el suelo presenta una rigidez su�ciente, es posible separar los pilotes, de modo que el empuje del suelo se distribuya hacia los pilotes debido al efecto arco que se crea entre éstos. La separación máxima entre pilotes será una decisión del especialista en geotec-nia, quien deberá de�nir este valor en función de los parámetros de resistencia del suelo y el módulo de rigidez del mismo. Será muy importante también de�nir la in�uencia que puede tener el agua por ejemplo en suelos arcillosos.Conforme va reduciendo la rigidez del suelo, es necesario juntar más lo pilotes, hasta llegar incluso a conformar una pantalla de pilotes tangentes en casos por ejemplo de arenas muy sueltas. Y �nal-mente, si existe nivel freático, se puede de�nir una pantalla de pilotes secantes completamente imper-meable para evitar el paso del agua. En este caso, la pantalla de pilotes deberá estar diseñada para resis-tir los empujes hidrostáticos que se formarán detrás del muro, aparte del empuje natural del suelo.La ejecución de los pilotes se realiza mediante perfo-radoras tipo piloteras de gran diámetro, ya sea mediante el proceso de camisas recuperables o mediante el uso de lodos bentoníticos para la estabi-lización del pozo de perforación.

SISTEMAS SEGUROS DE CONTENCIÓNPARA EXCAVACIONES PROFUNDAS

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Figura 3. Secuencia de ejecución de pilotes encamisados Figura 6. Proceso de ejecución de los anclajes postensados

Figura 7. Diseño típico en el programa GGU-RETAIN® de un muro de pilotes mediante el método de equilibrio límite

Cualquiera sea el método, se siguen los siguientes pasos: Perforación y contención del pozo mediante camisas recuperables o lodos bentoníticos, coloca-ción de la armadura, hormigonado desde el fondo del pozo mediante tubería tremie y retirado de cami-sas. En el caso de lodos, los mismos son desplaza-dos hacia arriba conforme se va hormigonando el pozo.

Una vez que la lechada ha alcanzado una resistencia adecuada, se tensa el anclaje, de tal forma de inducir al sistema una carga contraria a la del empuje del suelo. En la siguiente ilustración se pueden seguir los distintos pasos necesarios para la ejecución de los anclajes postensados.

El diseño se realiza por lo general mediante métodos de equilibrio límite, de tal forma de obtener la longi-tud y carga necesaria de los anclajes. Posteriormen-te, conocidos estos valores, se calcula el sistema en un modelo de elementos �nitos, con la �nalidad de determinar las deformaciones máximas del muro en su etapa �nal y durante las etapas constructivas. El diseño mediante el método de equilibrio límite considera al pilote como una viga en voladizo, sobre la que actúa una sobrecarga debida al empuje del suelo, y donde cada uno de los anclajes hace las veces de un apoyo, permitiendo así realizar un análi-sis estático para determinar las reacciones en los apoyos (cargas de los anclajes), las solicitaciones actuantes en el muro (momentos, cortantes y norma-les) y �nalmente la deformación del muro de pilotes.

En el diseño mediante el método de equilibrio límite también es posible determinar las longitudes necesa-rias de los anclajes, usando la denominada teoría de falla de cuña profunda, o cuña de Kranz (1988). Mediante esta teoría, es posible estimar la longitud necesaria de un anclaje, de forma que el terreno no falle por detrás de los anclajes (Véase la Figura 8).

Si bien los pilotes son elementos muy rígidos, conforme aumenta la altura de excavación por lo general es necesario el uso de elementos de soporte horizontal para reducir las deformaciones y los momentos �ectores en el pilote debidos al empuje del suelo. Este sostenimiento horizontal se materiali-za por lo general mediante anclajes activos posten-sados, que son elementos conformados por cables de alta resistencia que se introducen en el suelo luego de una perforación previa, y luego son inyecta-dos con una lechada de cemento para conformar el bulbo que proporcionará la interacción entre el anclaje y el suelo circundante.

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Figura 4. Con�guración de un anclaje activo temporal.

Figura 5. Acabado típico de anclajes en un muro de pilotes

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Muro Pantalla

Un muro pantalla se construye al ejecutar en forma alternada tramos de muro de sección rectangular o paneles mediante excavación con cucharas bajo lodos trixotrópicos (normalmente bentonita). El lodo estabiliza la excavación durante el proceso construc-tivo. Una vez excavado el panel, se puede colocar la armadura y �nalmente hormigonar.

Este tipo de muros se construyen por lo general cuando existe nivel freático alto y no es posible rebajar el mismo mediante bombeo, por ejemplo debido a la existencia de construcciones vecinas que pueden sufrir asentamientos producidos por el rebaje del nivel del agua subterránea.

Figura 8. Diagrama de fuerzas actuantes en la cuña defalla profunda para determinación de la longitud adecuadade los anclajes

Figura 10. Ejecución del muro pantalla con cucharas Bivalva

Figura 11. Fases de ejecución de un muro pantalla: (1)Excavación de la zanja y sostenimiento mediante lodos bentoníticos. (2) Colocación de la armadura. (3) Hormigonadodesde el fondo. (4)Excavación de la zanja contigua.

El uso de muros pantalla es también muy adecuado, cuando se tienen que realizar excavaciones profun-das al lado de edi�caciones históricas o muy sensi-bles a las deformaciones del suelo. La rigidez de los muros pantalla y el hecho de que el mismo se cons-truye antes de iniciar las excavaciones, minimiza el riesgo de deformaciones en las estructuras vecinas.

Los muros pantalla ofrecen una gran ventaja cons-tructiva para los sótano de un edi�cio, toda vez que los mismos facilitan la excavación y luego se consti-tuyen en los muros de sótano del edi�cio, generando de esta forma un gran ahorro en la construcción y minimizando el riesgo de desmoronamientos o asentamientos en estructuras vecinas durante la excavación de los sótanos.

Una vez determinadas las fuerzas y longitudes nece-sarias de los anclajes, se realiza el diseño en un modelo de elementos �nitos mediante el programa PLAXIS®, donde se puede estimar con mayor preci-sión la deformación del suelo en cada una de las etapas constructivas, así como los empujes del suelo en la interacción suelo-estructura y las posibles zonas de plasti�cación del suelo. La Figura 9 muestra un modelo típico de elementos �nitos deformados, luego del cálculo de todas las fases constructivas, así como la deformación máxima obtenida en la corona del muro.

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Figura 9. Determinación de las deformaciones del muroen un modelo de elementos �nitos mediante el uso del programa PLAXIS®

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Figura 12. Ejemplo de proyectos con nivel freático alto ejecutados con Muro Pantalla y anclajes

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Soil Nailing

Como se vió más arriba, de la misma forma que para los pilotes, los muros pantalla requieren también anclajes para reducir el efecto de los empujes del suelo y del agua conforme se incrementa la altura de excavación. Los distintos niveles de anclajes se van ejecutando conforme avanza la excavación y se tensan contra el mismo muro. Una vez tensados los anclajes, se procede con el siguiente nivel de excava-ción y así sucesivamente hasta llegar a las profundi-dades deseadas.

El Soil Nailing o “Muro clavado” constituye una veloz alternativa constructiva para la contención de taludes en lugares donde es posible aceptar cierta deforma-ción del suelo, como por ejemplo en carreteras, exca-vaciones profundas sin vecinos de importancia o excavaciones aledañas a calles o jardines. Esto se debe a que el Soil Nailing se ejecuta mediante pernos que se introducen en el suelo y no llevan carga de tensado, sino que reaccionan contra el suelo por la fricción que se genera entre la inyección de lechada y el suelo. Para que se genere esta fricción es necesario que el muro sufra una ligera deformación que gene-ralmente ronda el 2 por mil de la altura a excavar, por lo que a mayor altura, es mayor la deformación en la corona del muro.

A diferencia de los pilotes o muros pantalla que son estructuras que se ejecutan antes de realizar la exca-vación, el Soil Nailing se ejecuta a medida que se excava, mediante la instalación por perforación de pernos pasivos que cortan la super�cie potencial de falla. Para evitar desmoronamientos del suelo y lograr una reacción conjunta de los pernos, se utiliza una estructura de reacción con "shotcrete" u hormi-gón "in situ".

En el Soil Nailing se emplea una mayor densidad de elementos de soporte, de tal forma de confor-mar un “cuerpo armado” en el suelo. La siguiente �gura muestra las consideraciones de diseño para un soil nailing, considerando al mismo como un muro de suelo armado.

Figura 13. Esquema de ejecución del soil nailing

El Soil Nailing es aplicable en cualquier tipo de suelo. Si existe nivel freático alto, es posible ejecu-tarlo mediante un sistema de bombeo o reducción del nivel freático con punteras (well point). En el caso de existencia de agua, se debe tomar los recau-dos pertinentes si es que el soil nailing cumplirá una función de sostenimiento permanente. En ese caso, se deben ejecutar canales en la corona y la base del muro, barbacanas y drenes subhorizontales que ayuden a �ltrar el agua, para que la misma no se acumule detrás del muro generando presiones hidrostáticas importantes.

Figura 14. Modelación de un muro de Soil Nailing y consideraciones de carga para el diseño

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Conclusiones y recomendaciones

En el presente artículo se han expuesto 3 alternativas de contención de excavaciones e�cientes y seguras. Es necesario crear conciencia entre los proyectistas nacionales sobre la necesidad del uso de estas tecno-logías que minimizan el riesgo de desmoronamientos, �suras en los vecinos y accidentes en obra. Dependiendo de las características de cada proyecto, es posible seleccionar cualquiera de las opciones propuestas para la construcción de sótanos o el soste-nimiento de taludes. Por ejemplo, si se tienen obras vecinas de envergadura es recomendable usar un sostenimiento más rígido como pilotes o muros pantalla. Estos últimos sin embargo son más compli-cados de ejecutar si el suelo presenta una dureza muy grande, por ejemplo en conglomerados o en roca. En ese caso, es preferible el uso de pilotes, ya que la maquinaria y la metodología constructiva facilitan su ejecución en cualquier tipo de suelo. Si bien los muros pantalla se pueden realizar también en suelos duros, es preferible su aplicación en suelos como arcillas o arenas con gravas. De igual forma, la presencia de agua es determinante en la selección del método constructivo. Si existe agua, se deberá analizar inicialmente si es posible abatir el nivel freático mediante un sistema de bombeo sin generar daños en las estructuras vecinas.

Si esto no es posible, lo recomendable es la ejecución de una estructura impermeable lo su�cientemente rígida para soportar los empujes hidrostáticos adicionales que se formarán detrás del muro. El muro impermeable puede estar conformado por pilotes secantes (entrelazados) o muros pantalla.Finalmente, dependiendo del tipo de estructuras vecinas, es importante considerar el uso del soil nailing como una solución constructiva muy segura para excavaciones. Incluso si existen vecinos importantes y se quiere reducir el riesgo de deformación de los mismos, es posible mez-clar el uso de los pernos pasivos con algunas �las de anclajes activos, generalmente en la zona superior del muro. Esto hace el uso del Soil Nailing aún más efectivo, ya que no se requiere de maquinaria de gran tamaño para ejecutarlo y con este método es posible igualmente lograr grandes alturas de excavación vertical de forma segura.

Ing. M.Sc. Mariano Saucedo SulzerGerente General

msaucedo@terratest.com.bo

Figura 15. Izq. Soil Nailing en arena en etapa constructiva por bataches. Der. Muro de Soil Nailing terminado

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