Mecánica del suelo. Pantallas para excavaciones profundas

• HISTORIA.
En 1888, en Ford Benton (USA), se descubre una arcilla natural de alta plasticidad, que por este motivo recibe
el nombre de bentonita, cuyo componente principal es el mineral de la arcilla llamado montmorillonita.
En 1901 Lucas emplea por primera vez suspensiones tixotrópicas de arcilla para estabilizar perforaciones
petrolÃ−feras. En este tipo de sondeos petrolÃ−feros el uso de revestimientos es muy engorroso dada su gran
longitud.
A partir de 1934 comienzan a emplearse las pantallas de pilotes discontinuas, tangentes o secantes. Las
primeras aplicaciones fueron como núcleo o pantalla de impermeabilización en obras de ingenierÃ−a.
El primer ingeniero que patentó un sistema de pantalla fue el austrÃ−aco Veder en 1950, y otros pioneros en
esta técnica son también el italiano Marconi y el alemán Lorenz. Patentes relativas a pantallas
construidas con materiales arcillosos y con hormigón fueron depositadas por la casa Icos el 9 de Febrero y el
30 de Mayo de 1950 respectivamente.
En España, la primera pantalla continua construida es la del sótano de Banco Pastor en La Coruña en
1962. La segunda se realiza en el sótano del edificio del Monte de Piedad y Caja de Ahorros de Sevilla en
1963.
• MÃ TODOS TRADICIONALES DE EJECUCIÃ N DE SÃ TANOS.
Los sistemas conocidos de soporte lateral pueden clasificarse de la siguiente forma, en función de la
secuencia en que se realizan con respecto a las excavaciones:
• Realizadas después de terminada la excavación.
• Realizadas a medida que progresa la excavación.
• Instalados previamente antes de comenzar la excavación.
Entre los primeros se encuentran los muros de contención de tierras, de hormigón en masa, armado o de
mamposterÃ−a. Dada la limitación de espacio que suele existir en obras urbanas, estos sistemas suelen tener
aplicación únicamente en terrenos cohesivos que permiten la excavación con un frente vertical o un talud
poco tendido, quedando limitada su aplicación a partir de cierta altura, generalmente reducida.
Entre los sistemas de soporte a medida que progresa la excavación, se pueden citar las entibaciones con
codales de madera o metálicos, que presentan igualmente el inconveniente de no limitar los movimientos
laterales, a menos que se cuide el acuñado, o pretensando los codales.
En los últimos años se sustituyen, a veces, los codales por anclajes situados en el terreno circundante. Uno
de estos sistemas, conocido por “muro berlinés” consiste en instalar en el terreno (dentro de las
perforaciones espaciadas entre 2 y 4 m) perfiles metálicos de hormigón, que se anclan al terreno a medida
que se realizan las excavaciones. El espacio entre perfiles se protege mediante un blindaje de madera,
hormigón o placas prefabricadas.
Entre los sistemas de soporte realizados previamente al comienzo de la excavación, se encuentran los
tablestacados metálicos, instalados en el terreno mediante hinca o más modernamente mediante vibradores.
Las pantallas de pilotes todo tipo secantes, tangentes o incluso discontinuas, se clasifican igualmente en este
grupo.
Las tablestacas presentan como limitaciones su flexibilidad, estanqueidad, sólo relativa, las vibraciones
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asociadas a su hinca y la imposibilidad de alcanzar en ocasiones la profundidad requerida por resistencia del
terreno o aparición de bloques.
Esta limitación fue superada por las pantallas de pilotes tangentes o secantes que, sin embargo, presentan una
clara discontinuidad tanto a efectos estructurales como de estanqueidad de la pared.
Finalmente, dentro de este grupo se clasifican los muros de hormigón armado, excavados in situ, más
conocidos por pantallas de bataches. Estos muros construidos generalmente con ayuda de lodos de
perforación, presentan una rigidez que permite reducir los movimientos en comparación con las paredes
flexibles.
Los problemas surgen, sobre todo, cuando se quiere excavar bajo el nivel freático. Existen una serie de
métodos para el rebajamiento de la capa freática entre los que están:
• Sistema de bombeo a través de agujas filtrantes, por medio de bombas que evacuan el agua en
colectores dispuestos a diferentes niveles de excavación.
• Pozos profundos de gran diámetro, situados en la obra o en su periferia, en los que se bombea el
agua por medio de bombas centrÃ−fugas múltiples sumergidas.
• Pozos de alivio verticales, asociados a pozos profundos o a agujas filtrantes, que liberan la presión
de capas acuÃ−feras permeables más profundas, situadas debajo de una capa impermeable.
• Red de drenes horizontales conectados, sea a pozos profundos, sea a colectores por gravedad.
• Sistemas de drenes por vacÃ−o en ciertos suelos finos (arenas y limos estratificados, o limos gruesos
y medios).
• Creación en el suelo de una corriente eléctrica entre agujas filtrantes instaladas de antemano
(electro - ósmosis).
• VENTAJAS DE LAS PANTALLAS DE HORMIGÃ N ARMADO.
• Seguridad durante la ejecución frente a otros métodos.
• Coste predeterminado.
• Vibraciones pequeñas.
• Estanqueidad, si la pantalla está bien construida.
• Rapidez de ejecución.
• TIPOS DE PANTALLAS.
• Pantallas de pilotes.
Se empezaron a ejecutar en 1934. Tanto las de pilotes secantes como las de pilotes tangentes se utilizaban
cuando el nivel freático estaba alto, pero tienen el inconveniente grave de tener muchas juntas, por lo que no
funcionan bien.
Las discontinuidades sirven para sostener a un terreno bueno, como el de Madrid y, lógicamente, se usan
cuando el nivel freático está muy bajo. A corto plazo el efecto arco funciona bien y hace que el terreno
transmita el empuje a los pilotes. Antes de que deje de funcionar el efecto arco se construyen unas bovedillas
entre cada dos pilotes. Estas bovedillas se hacen de hormigón o de ladrillo y su trasdós no debe sobrepasar
a los pilotes. Las bovedillas se suponen sometidas a la totalidad del empuje por metro cuadrado ya que el
efecto arco puede perderse con el tiempo.
Los diámetros de los pilotes están comprendidos entre 400 y 1000 mm, y con una separación entre ellos
de 2 a 4 veces el diámetro.
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Cuando se construyen pantallas de pilotes hay que tener en cuenta que es muy frecuente que haya edificios
próximos a la pantalla que se ejecuta. Por lo tanto, hay que evitar los daños y las molestias
correspondientes a la ejecución de los pilotes por golpeo. Se deben ejecutar los pilotes por vaciado, si es
posible con barrena.
• Pantallas de bataches. Esquema de ejecución.
Las pantallas de bataches se han empezado a ejecutar en 1950, cuando se pudo disponer de maquinaria
especial, y de mayor envergadura, que en ejecución se precisa. Este tipo de pantallas está en pleno
desarrollo, y prácticamente han sustituido a las pantallas de pilotes, sobre todo cuando el nivel freático
está alto.
En sÃ−ntesis consiste en perforar un tramo de zanja, llamado batache, que se mantiene abierto sin necesidad
de encofrado ni entibaciones, rellenándolo, si es necesario, con una suspensión de lodo bentonÃ−tico a
medida que se excava. A continuación se introduce en la zanja la jaula, si es necesaria, y se rellena de
hormigón o de otro material, recuperando el lodo desalojado. Un adecuado sistema de juntas enlaza un panel
con los adyacentes, dando asÃ− continuidad a la pantalla.
Se suelen ejecutar primero una serie de bataches alternados, primarios para, a continuación proceder con los
secundarios.
A continuación, se van a describir cada una de las fases de que consta la ejecución de una pantalla.
• Perforación.
Se comienza por realizar dos muretes de hormigón ligeramente armado, a ambos lados de la pantalla,
perfectamente nivelados superiormente. Sirven para guiar el trazado de la pantalla, y de paso referir a ellos las
profundidades a alcanzar, etc., asÃ− como para contener superiormente el lodo bentonÃ−tico.
La excavación se suele realizar hoy con cuchara bivalva para casi todo tipo de terrenos hasta 4 kp/cm2 de
cohesión. Puede alcanzar grandes profundidades. Hay que cuidar el guiado de la cuchara.
Otro sistema que se emplea en la actualidad es la hidrofresa con circulación interna de lodo que ha sustituido
en muchos casos a la cuchara bivalva.
Una vez fabricado el lodo, se inicia la perforación, excavando previamente los dos extremos del batache a
realizar y posteriormente la zona intermedia. Con ello se consigue que la cuchara de perforación tenga
análogas reacciones en ambos extremos y no sufra desviaciones.
Durante la construcción, el nivel del lodo debe mantenerse dentro del de los muretes guÃ−as y a no menos
de 1 m por encima del nivel freático.
Al terminar la excavación, se procede a la limpieza de los sedimentos que pudieran existir en el fondo del
panel y se limpia la bentonita, sustituyéndola si es necesario.
• Colocación de los dispositivos de juntas.
El proceso de ejecución de la pantalla es discontinuo, por paneles de unos 4 o 5m de longitud. Asegurar la
unión más perfecta posible entre los hormigones de los paneles contiguos es uno de los puntos
fundamentales para conseguir que la pantalla continua funcione como tal.
Efectuada la perforación del primer batache que adopta en sus extremos forma redondeada (dos
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semicÃ−rculos), debido a la forma de la cuchara, se introducen en sus extremos dos tubos circulares de
diámetro igual al espesor de la pantalla hasta el fondo del batache, hincándolos ligeramente en el terreno.
Con ello se consigue que el hormigón quede posteriormente retenido sin pasar al panel contiguo.
• Colocación de la armadura.
La armadura necesaria se introduce a continuación por medio de una grúa. Para conseguir el adecuado
recubrimiento se colocan unos separadores de mortero o de plástico. La forma de la armadura se acopla en lo
posible a la forma del panel. El recubrimiento mÃ−nimo debe ser de 75 mm, y la distancia entre armaduras de
100 mm.
• Hormigonado.
El hormigonado se realiza con un tubo (de unos 20 a 30 cm de diámetro) que debe llegar casi hasta el fondo
del panel. En su extremo inferior se coloca un tapón y se vierte el hormigón muy fluido por su parte
superior. El hormigón desaloja el tapón y forma un cono alrededor de la tuberÃ−a de hormigonar. Los
sucesivos volúmenes de hormigón van a su vez desplazando los volúmenes anteriores de hormigón, de
tal forma que el primer hormigón vertido es el primero que aparece en la superficie del panel.
Si las caracterÃ−sticas del hormigón son adecuadas no se mezclará con el lodo, al que va desalojando,
pudiéndose recuperar y enviarlo mediante una bomba a los depósitos o a la estación de desarenado.
Una vez iniciado el fraguado del hormigón, se retiran las dos tuberÃ−as de junta (no antes de que haya
transcurrido el tiempo necesario para que el hormigón se mantenga vertical), queda asÃ− el panel terminado
con dos entrantes de forma semicircular.
Al perforar el panel siguiente la forma de la cuchara se acopla a la concavidad semicircular del hormigón del
panel anterior, lo que permite limpiar la junta. En el otro extremo de la perforación, una vez terminada, se
coloca un tubo de juntas (esta vez solamente se necesita uno), lo que da lugar nuevamente, al terminar el
hormigonado del segundo panel, a otra concavidad semicircular, que permite continuar el proceso.
Para que el hormigonado sea efectivo es necesario que el hormigón sea muy plástico, de alta dosificación
de cemento (del orden de 350 a 400 kp/m3) y sobre todo muy fluido (descenso del cono de Abrams de 175 a
200 mm, con un mÃ−nimo de 150 mm).
Para que el hormigón penetre debidamente entre las armaduras hay que limitar el tamaño máximo del
árido, según se indica en la tabla siguiente:
Diámetro (mm) > 40 > 20 Arena
Porcentaje
2
5
30
En general un tamaño superior a 20 mm sólo se usará en pantallas sin armar.
Es preferible que los áridos sean redondeados.
La relación agua/cemento no debe ser superior a 0.6.
El machihembrado creado por la forma de la junta, permite una cierta continuidad a efectos resistentes, que no
obstante se complementa y perfecciona con la creación en la parte superior de la pantalla de una viga de
coronación, que enlaza unos paneles con otros.
• Muros de pantallas continuos prefabricados.
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En el caso de pantallas prefabricadas, la excavación del batache es igual que para la pantalla construida in
situ, la única diferencia estriba en el empleo de una lechada especial en lugar de lodo bentonÃ−tico. Esta
lechada tiene las mismas propiedades que el lodo durante 48 horas, y por estar constituida por una mezcla de
bentonita - cemento, posteriormente se comporta como un cemento.
Después de hecha la excavación, se introducen en el batache los elementos prefabricados recuperándose
parte de la lechada y sirviendo la restante para el sellado de juntas.
Los elementos prefabricados, son elementos de hormigón armado cuya forma y dimensiones vienen fijadas
por el proyecto. La forma y el aspecto de estos elementos pueden ser muy variadas, sus dimensiones están
limitadas por la capacidad de carga de la maquinaria de elevación disponible.
Dentro de los elementos prefabricados, correspondientes a diferentes estructuras de muros de sostenimiento,
se pueden citar:
• Estructura compuesta de paneles idénticos que se engarzan unos en otros, gracias al
machihembrado de que van provistos. En este tipo de pantalla todos los paneles trabajan de idéntica
manera, como tablestacas empotrados en el suelo. Este tipo de estructura permite obtener una pared
perfectamente lisa, conveniente en los casos en que se requiera un aprovechamiento exhaustivo de la
superficie de un solar, o bien en el caso de una conducción subterránea donde el reducir las
pérdidas de carga es importante.
• Estructura construida por vigas entre las cuales se inserta una losa. Las vigas están empotradas en el
terreno en su parte inferior y en cabeza se pueden colocar unos anclajes. Las losas reciben los empujes
de las tierras que transmiten a las vigas sobre las que se apoyan (las vigas son las que en definitiva
resisten todos los empujes de las tierras). El espesor de las vigas es dos veces el de las losas.
• El elemento prefabricado puede también intervenir en la construcción de un muro de
sostenimiento, asociado a los distintos elementos de construcción:
• Como junta prefabricada entre paneles de la pantalla continua clásica, su empleo evita el recurrir al
tubo junta.
• Reemplazando a las vigas metálicas en el llamado muro berlinés, con la ventaja frente a éstas
de la ausencia de corrosión.
• También, los elementos prefabricados participan en la construcción de la llamada pantalla
“parisina”. Este procedimiento permite ejecutar a medida que se excava, un muro de hormigón
armado con misión portante y de sostenimiento, a partir de pilotes prefabricados (provistos de
armaduras de espera) empotrados en el terreno.
• TIPOS DE SUSTENTACIÃ N DE PANTALLAS CONTINUAS.
Después de la terminación de una obra, una pantalla de hormigón está con frecuencia arriostrada por
los forjados de los pisos u otro tipo de losas o arriostramiento. Por ello, la fase más crÃ−tica desde el punto
de vista tensional suele corresponder a la fase de excavación del intradós. En dicha fase hay que pantallas
que pueden resistir en voladizo, pero cuando las alturas de excavación o las sobrecargas son importantes, hay
que proceder a su arriostramiento, debido a su pequeño espesor.
Los arriostramientos pueden ser provisionales o definitivos, pudiendo clasificarlos según este criterio en el
esquema siguiente:
• Pantallas en voladizo.
Si la profundidad de la excavación no es excesiva la pantalla puede trabajar en voladizo. La máxima altura
del voladizo depende de la naturaleza del terreno. Para terrenos de mala calidad, la altura libre máxima no
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suele exceder de los 6 m. Naturalmente, en estos casos hay que empotrar la pantalla de modo suficiente por
debajo del fondo de la excavación.
A fin de alcanzar alturas de excavación superiores, compatibles con el espesor de la pantalla, puede
recurrirse a aumentar la inercia construyendo pantallas con forma de T en planta. En tales casos, las alturas de
excavación alcanzadas pueden oscilar, según la naturaleza del terreno, entre 10 y 15 m.
Los contrafuertes pueden colocarse en el interior de la excavación o en su exterior. En éste último caso,
se produce, por efecto arco, una disminución notable de los empujes que actúan sobre la losa frontal, pero
los contrafuertes, a diferencia de lo que sucede cuando son interiores, tienen que soportar algunas tracciones.
• Arriostramientos provisionales.
Uno de ellos consiste en dejar una banqueta de tierras junto a la pantalla en el fondo de la excavación, hasta
que se construyan los forjados. El único inconveniente de este sistema es que hay que retirar las tierras de la
banqueta a través de los arriostramientos ya terminados.
Cuando existe una losa de fondo lo que suele hacerse es ir excavando la berma por bataches en los que la losa
de fondo se va uniendo a la pantalla.
Otro sistema consiste en la utilización de puntales o codales. Los codales pueden ir de una pared a la otra. En
tal caso hay que acudir con frecuencia, dada la gran luz, a vigas trianguladas para dejar más espacio libre, y
para disminuir la luz se recurre con frecuencia a arriostrar una pared con la contigua en sentido diagonal.
Si la excavación es muy profunda y la extensión en planta considerable, hay que apoyar los codales,
adquiriendo la estructura provisional en casos extremos de sostén una gran complicación.
Otro sistema de arriostramiento provisional lo constituye la utilización de anclajes. Las fases de
construcción de una pantalla anclada son las siguientes:
• Se hace la excavación correspondiente a la primera planta de sótano.
• En el lugar donde va a ir el anclaje se hace un orificio con la sonda que se entuba.
• Se introducen los cables de acero de pretensado que terminan de forma especial.
• Se pone un tapón y se inyecta lechada para formar un bulbo en el extremo del anclaje.
• Con gatos de pretensado se da tensión a los cables y luego se inyecta el conducto para evitar la corrosión
del cable.
• Se prosigue la excavación hasta la cota de la siguiente planta de sótano, y en caso de que exista más de
un anclaje se repite la operación desde la segunda fase.
Los anclajes se ponen fuera de servicio cuando se ha terminado la construcción de los forjados cortando los
cables.
Los anclajes de arriostramiento pueden ser pasivos o activos, según exija o no una deformación de la
cabeza para entrar en funcionamiento.
El acero del anclaje suele tener un lÃ−mite elástico entre los 7000 y los 14000 kp/cm2, mientras que la
tensión de rotura oscila entre los 10000 y los 18600 kp/cm2. La tensión de trabajo es menor del 75% del
lÃ−mite elástico para los anclajes provisionales e inferior al 60% para el caso de anclajes permanentes.
La tensión inicial de pretensado ha de ser mayor que la de trabajo para compensar las posibles pérdidas
ocasionadas con el tiempo. Las cargas de trabajo dependen de tipo de suelo, y oscilan entre las 30 y las 125 T.
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• Arriostramientos definitivos.
Una manera de conseguir arriostrar definitivamente una pantalla consiste en la utilización de anclajes
definitivos protegidos contra la corrosión. El problema de este sistema de anclajes definitivos es que
requieren un control continuado durante toda la vida de la obra, ya que los anclajes pueden perder tensión a
lo largo del tiempo. Se utilizan sólo en casos especiales en los que la entidad propietaria de la obra se
compromete a realizar estos controles.
Sin embargo, el principal inconveniente de este sistema es que los anclajes suelen caer en terrenos de otras
pertenencias y, por ello, es imposible confiar en su uso definitivo.
Otro sistema de arriostramiento definitivo es la construcción simultánea ascendente - descendente. Este
sistema es muy adecuado cuando se requieren profundidades de excavación grandes o cuando el terreno es
de mala calidad y se desea controlar mejor los movimientos del terreno exterior a la excavación.
El proceso constructivo del sistema ascendente - descendente es el siguiente:
• Se ejecuta la pantalla perimetral y las perforaciones de los pilotes.
• Se colocan los pilares metálicos en el interior de los pilotes y se hormigonan en su parte inferior.
• Se rellena con gravas la perforación no hormigonada para evitar el pandeo.
• Se hacen las losas o forjados de planta baja, con lo cual se arriostra la pantalla, teniendo en cuenta que hay
que dejar grandes huecos en el forjado para excavar la planta siguiente. A partir de este momento se puede
proceder a la construcción simultánea hacia arriba y hacia abajo del edificio (excavación).
• Cuando se haya terminado la excavación correspondiente a la siguiente planta, se construye el
correspondiente forjado, y asÃ− es como se procede hasta ejecutar la losa de la última planta de sótano.
• Antes de ejecutar la losa de fondo y una vez alcanzada la cota máxima de excavación se refuerza la
unión de los pilares con los pilotes mediante una base metálica que queda embebida en la losa de fondo.
La principal ventaja de esta manera de arriostrar la pantalla es que todas las obras que se ejecutan son
definitivas, con la consiguiente economÃ−a en el presupuesto y en el plazo de ejecución, al suprimir las
obras provisionales. Por otro lado, la construcción de la estructura puede proceder hacia arriba y hacia abajo
simultáneamente. Otra ventaja de este tipo de arriostramiento es que la pantalla sufre muy pequeños
movimientos.
El inconveniente principal es que la excavación se ve bastante entorpecida.
Tema 17: PANTALLAS PARA EXCAVACIONES PROFUNDAS
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MECÔNICA DEL SUELO
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