sistemas seguros de contención para excavaciones profundas

SISTEMAS SEGUROS
DE CONTENCIÓN PARA
EXCAVACIONES PROFUNDAS
Introducción
Dependiendo de la rigidez del suelo y de la existencia del
nivel freático, la pantalla se puede conformar con pilotes
separados, tangentes o secantes. Si el suelo presenta una rigidez suficiente, 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 geotecnia,
quien deberá definir este valor en función de los parámetros
de resistencia del suelo y el módulo de rigidez del mismo.
Será muy importante también definir la influencia que puede tener el agua por ejemplo en suelos arcillosos.
La continua construcción de edificios elevados en las ciudades más importantes del país induce la necesidad de construir sótanos cada vez más profundos que permitan abastecer suficientes estacionamientos para las viviendas y oficinas
de los edificios. Sin embargo, en el país aun 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 edificaciones vecinas, dejando sin resolver un problema que se hace cada vez mayor,
como la escases de estacionamientos o la incomodidad de
estacionamientos en espacios reducidos.
Conforme va reduciendo la rigidez del suelo, es necesario juntar
Otro problema que conlleva la creciente demanda de edi- más lo pilotes, hasta llegar incluso a conformar una pantalla de
ficios, es que se tiene que construir y excavar al lado de pilotes tangentes en casos por ejemplo de arenas muy sueltas. Y
edificaciones preexistentes, causando por lo general asen- finalmente, si existe nivel freático, se puede definir una pantalla
tamientos y fisuras en las estructuras vecinas, debido a la de pilotes secantes completamente impermeable para evitar el
paso del agua. En este caso, la pantalla de pilotes deberá estar
excavación de los sótanos sin una contención adecuada.
diseñada para resistir los empujes hidrostáticos que se formarán
En el presente artículo se muestran distintas tecnologías sedetrás del muro, aparte del empuje natural del suelo.
guras de contención de excavaciones profundas, tales como
pilotes anclados, muros pantalla o contenciones mediante La ejecución de los pilotes se realiza mediante perforadoras
tipo piloteras de gran diámetro, ya sea mediante el proceso
soil nailing.
de camisas recuperables o mediante el uso de lodos bentoníticos para la estabilización del pozo de perforación. CualPilotes anclados
Los pilotes anclados pueden ser usados para contener 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.
a)
b)
c)
Figura 1. Sistemas de contención mediante pilotes. a) Pilotes
separados. b) Pilotes tangentes. c) Pilotes entrelazados o secantes.
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Figura 2. Ejemplo de pantalla de pilotes separados sostenida con
anclajes postensados.
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quiera sea el método, se siguen los siguientes pasos: Perforación y contención del pozo mediante camisas recuperables o
lodos bentoníticos, colocación de la armadura, hormigonado
desde el fondo del pozo mediante tubería tremie y retirado
de camisas. En el caso de lodos, los mismos son desplazados
hacia arriba conforme se va hormigonando el pozo.
Figura 3. Secuencia de ejecución de pilotes encamisados
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 flectores en el pilote debidos al empuje del suelo. Este sostenimiento horizontal se materializa por lo general
mediante anclajes activos postensados, que son elementos conformados por cables de alta resistencia que se introducen en el
suelo luego de una perforación previa, y luego son inyectados
con una lechada de cemento para conformar el bulbo que proporcionará la interacción entre el anclaje y el suelo circundante.
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.
Figura 6. Proceso de ejecución de los anclajes postensados
El diseño se realiza por lo general mediante métodos de equilibrio límite, de tal forma de obtener la longitud y carga necesaria de los anclajes. Posteriormente, conocidos estos valores,
se calcula el sistema en un modelo de elementos finitos, con
la finalidad de determinar las deformaciones máximas del
muro en su etapa final 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 análisis estático para determinar las reacciones
en los apoyos (cargas de los anclajes), las solicitaciones actuantes en el muro (momentos, cortantes y normales) y finalmente la deformación del muro de pilotes.
Figura 4. Configuración de un anclaje activo temporal.
Figura 7. Diseño típico en el programa GGU-RETAIN® de un muro
de pilotes mediante el método de equilibrio límite
Figura 5. Acabado típico de anclajes en un muro de pilotes.
En el diseño mediante el método de equilibrio límite también
es posible determinar las longitudes necesarias 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).
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Figura 10. Fases de ejecución de un muro pantalla: (1 y 2) Excavación
de la zanja y sostenimiento mediante lodos bentoníticos. (3)
Colocación de la armadura. (4) Hormigonado desde el fondo. (5)
Panel terminado.
Los muros pantalla ofrecen una gran ventaja constructiva para
los sótano de un edificio, toda vez que los mismos facilitan la excavación y luego se constituyen en los muros de sótano del edifiUna vez determinadas las fuerzas y longitudes necesarias de
cio, generando de esta forma un gran ahorro en la construcción
los anclajes, se realiza el diseño en un modelo de elementos
y minimizando el riesgo de desmoronamientos o asentamienfinitos mediante el programa PLAXIS®, donde se puede estitos en estructuras vecinas durante la excavación de los sótanos.
mar con mayor precisión 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 plastificación del suelo. La Figura 9 muestra un modelo
típico de elementos finitos deformado, luego del cálculo de
todas las fases constructivas, así como la deformación máxima obtenida en la corona del muro.
Figura 8. Diagrama de fuerzas actuantes en la cuña de falla profunda
para determinación de la longitud adecuada de los anclajes
Figura 9. Determinación de las deformaciones del muro en un
modelo de elementos finitos mediante el uso del programa PLAXIS®
Figura 11. Ejemplo de proyectos con nivel freático alto ejecutados
con Muro Pantalla y anclajes
Muros Pantalla
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 excavación y
así sucesivamente hasta llegar a las profundidades deseadas.
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
constructivo. Una vez excavado el panel, se puede colocar la
armadura y finalmente 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. El uso de muros pantalla es también muy adecuado,
cuando se tienen que realizar excavaciones profundas al lado
de edificaciones históricas o muy sensibles a las deformaciones
del suelo. La rigidez de los muros pantalla y el hecho de que el
mismo se construye antes de iniciar las excavaciones, minimiza el riesgo de deformaciones en las estructuras vecinas.
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Soil Nailing
El Soil Nailing o “Muro clavado” constituye una veloz alternativa constructiva para la contención de taludes en lugares donde es posible aceptar cierta deformación del suelo, como por
ejemplo en carreteras, excavaciones 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
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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 generalmente 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 excavación, el Soil
Nailing se ejecuta a medida que se excava, mediante la instalación por perforación de pernos pasivos que cortan la super- Figura 14. Soil Nailing en arena en etapa constructiva por bataches.
ficie 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 hormigón “in situ”.
Figura 15. Muro de Soil Nailing terminado
Figura 12. Esquema de ejecución del soil nailing.
En el Soil Nailing se emplea una mayor densidad de elementos de soporte, de tal forma de conformar un “cuerpo
armado” en el suelo. La siguiente figura muestra las consideraciones de diseño para un soil nailing, considerando al
mismo como un muro de suelo armado.
Dependiendo de las características de cada proyecto, es posible
seleccionar cualquiera de las opciones propuestas para la construcción de sótanos o el sostenimiento 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 complicados 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
Figura 13. Modelación de un muro de Soil Nailing y consideraciovecinas. Si esto no es posible, lo recomendable es la ejecución
nes de carga para el diseño
de una estructura impermeable lo suficientemente rígida para
El Soil Nailing es aplicable en cualquier tipo de suelo. Si soportar los empujes hidrostáticos adicionales que se formaexiste nivel freático alto, es posible ejecutarlo mediante un rán detrás del muro. El muro impermeable puede estar consistema de bombeo o reducción del nivel freático con pun- formado por pilotes secantes (entrelazados) o muros pantalla.
teras (well point). En el caso de existencia de agua, se debe
Finalmente, dependiendo del tipo de estructuras vecinas, es imtomar los recaudos pertinentes si es que el soil nailing cumportante considerar el uso del soil nailing como una solución
plirá una función de sostenimiento permanente. En ese caso,
constructiva muy segura para excavaciones. Incluso si existen
se deben ejecutar canales en la corona y la base del muro,
vecinos importantes y se quiere reducir el riesgo de deformabarbacanas y drenes subhorizontales que ayuden a filtrar el
ción de los mismos, es posible mezclar el uso de los pernos
agua, para que la misma no se acumule detrás del muro gepasivos con algunas filas de anclajes activos, generalmente en
nerando presiones hidrostáticas importantes.
la zona superior del muro. Esto hace el uso del Soil Nailing aún
más efectivo, ya que no se requiere de maquinaria de gran taConclusiones y recomendaciones
maño para ejecutarlo y con este método es posible igualmente
En el presente artículo se han expuesto 3 alternativas de con- lograr grandes alturas de excavación vertical de forma segura.
tención de excavaciones eficientes y seguras. Es necesario crear
Ing. M.Sc. Mariano Saucedo Sulzer
conciencia entre los proyectistas nacionales sobre la necesidad
Gerente General
del uso de estas tecnologías que minimizan el riesgo de desPILOTES TERRATEST BOLIVIA S.A.
[email protected]
moronamientos, fisuras en los vecinos y accidentes en obra.
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