capítulo x

“DIMENSIONAMIENTO Y RECOMENDACIONES
TÉCNICAS PARA FUNDACIÓN DE ESTRUCTURAS,
EXCAVACIONES Y RELLENOS”
Planta Depuradora de líquidos cloacales de la
ciudad de Santiago del Estero
INFORME TÉCNICO
Informe Técnico - Memoria de cálculo estructural v 1.0 / pág. i
DIMENSIONAMIENTO Y RECOMENDACIONES
TÉCNICAS PARA FUNDACIÓN DE ESTRUCTURAS,
EXCAVACIONES Y RELLENOS
Planta Depuradora de líquidos cloacales de la
ciudad de Santiago del Estero
INFORME TÉCNICO
Versión 1.0
Agosto 2013
ÍNDICE
1. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LAS EXCAVACIONES ................................ 3
1.1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 3
1.2. PROPIEDADES DE LOS SUELOS ....................................................................................................... 3
1.3. MÉTODO DE CÁLCULO ................................................................................................................... 3
1.4. SUPERFICIE DE DESLIZAMIENTO CRÍTICA ......................................................................................... 4
1.5. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD .............................................................................................................. 4
1.6. CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 5
2. RELLENOS ........................................................................................................ 6
3. VERIFICACIÓN DE CAPACIDAD DE PILOTES ............................................... 8
4. DISTRIBUCION Y DIAMETRO DE PILOTES .................................................. 17
5. MÉTODO CONSTRUCTIVO DE PILOTES CON LODO BENTONÍTICO ........ 18
5.1. TAREAS PREVIAS ........................................................................................................................ 18
5.2. REPLANTEO ................................................................................................................................ 18
5.3. PERFORACIÓN CON LODO BENTONÍTICO ........................................................................................ 18
5.4. ARMADURAS ............................................................................................................................... 18
5.5. HORMIGONADO ............................................................................................................................ 19
6. INYECCIONES DE PRECARGA DE PILOTES ............................................... 20
6.1. GENERALIDADES ......................................................................................................................... 20
6.2. EQUIPOS ..................................................................................................................................... 20
6.3. PROCEDIMIENTO .......................................................................................................................... 20
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1. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LAS EXCAVACIONES
1.1. INTRODUCCIÓN
Con el objeto deverificar la estabilidad de los taludes de las excavaciones, se
realizaron los cálculos correspondientes, utilizando para ello el método de Bishop
simplificado y un software específico para estos cálculos.
Los parámetros físicos y de resistencia al corte de los suelos involucrados se tomaron
del Estudio Geotécnico del Ing. Tomas Eugenio Lucio y Asociados de fecha mayo de
2009, en el que se hicieron calicatas y un sondeo con ensayos SPT.
Para futuras verificaciones deberán realizarse estudios más amplios que los indicados
en el informe referido.
1.2. PROPIEDADES DE LOS SUELOS
Los suelos existentes corresponden a arenas limosas (SM) en los primeros dos metros
y arenas (SP) con muy bajo contenido de finos hasta los 7,00 y 8,00 m.
El nivel freático se estableció a los 2,25 m de profundidad en la fecha del estudio.
El peso unitario a humedad natural es de 14,4 kN/m3 (1,44 t/m3).
Los parámetros de resistencia al corte determinados en un ensayo de corte directo,
son los siguientes:
Angulo de fricción interna (φ) = 25,50° (Para el cálculo se adopta 25°)
Cohesión = 0,00
1.3. MÉTODO DE CÁLCULO
Para efectuar los cálculos de estabilidad se utilizó el Método de BISHOP por ser el más
apropiado para el tipo de suelos finos.
Se empleó el programa SLOPE 2006 para analizar todas las condiciones del estudio.
Para cada análisis se efectuaron 25 círculos de deslizamiento por medio de superficies
circulares generadas al azar, con iniciación y terminación de estas superficies en un
rango predeterminado de progresivas de la estructura.
Como resultado de estos análisis el programa da las coordenadas de la superficie del
círculo de menor factor de seguridad y el valor del mismo.
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1.4. SUPERFICIE DE DESLIZAMIENTO CRÍTICA
En presencia de medios homogéneos no hay métodos a disposición para individualizar
la superficie de deslizamiento crítica y se debe examinar un elevado número de
superficies potenciales.
En el caso que se supongan superficies de forma circular la búsqueda se hace más
sencilla, ya que después de haber colocado una malla de centros constituida por m
líneas y n columnas se examinan todas las superficies que tengan como centro el nudo
genérico de la malla m x n y radio variable en un determinado rango de valores tales de
examinar superficies cinemáticamente admisibles.
1.5. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD
El estudio de estabilidad se realizó para las condiciones enumeradas más arriba y cuyo
desarrollo se indica a continuación.
Se analizaron dos alturas de talud de 4 y 6 m respectivamente con pendientes 1V:2H.
-
Método de análisis utilizado: Bishop simplificado
Numero de rebanadas: 25
Tolerancia: 0.0001
Numero mximo de iteraciones: 50
Valor de prueba inicial de FS: 1
-
Análisis de las aguas subterráneas
Para el análisis se considera el suelo con humedad natural ya que deberá deprimirse el
nivel freático para poder ejecutar las excavaciones.
-
Opciones de superficie
Tipo de superficie: Circular
Método de búsqueda: Cuadricula
Radio Incremento: 10
-
Mínimos Globales
-
FS Mínimo: 0.92
Centro : 22.834, 44.374
Radio : 16.803
Izquierda punto final superficial : 27.944, 28.367
Derecho punto final superficial : 32.751, 30.810
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Slice
Número
Ancho
[m]
Peso
[kN]
Base
ángulo
Cohesión
de
[kPa]
fricción
[grados]
Cizalla
estrés
[kPa]
Shear
Strength
[kPa]
Base
estrés
normal
[kPa]
Pore
presión
[kPa]
Eficaz
estrés
normal
[kPa]
1 0.192301 0.0494301
2 0.192301 0.144724
0
0
25 0.111358 0.102942 0.220759
25 0.324159 0.299659 0.642622
0 0.220759
0 0.642622
3 0.192301
0.23284
0
25 0.518496 0.479309
1.02788
0
1.02788
4 0.192301
0.313689
0
25 0.694448 0.641962
1.37669
0
1.37669
5 0.192301
6 0.192301
0.387173
0.453191
0
0
25 0.852077 0.787678
25 0.991445 0.916513
1.68918
1.96547
0
0
1.68918
1.96547
7 0.192301
0.511636
0
25
1.1126
1.02851
2.20565
0
2.20565
8 0.192301
0.562395
0
25
1.21558
1.12371
2.40982
0
2.40982
9 0.192301
0.605348
0
25
1.30044
1.20215
2.57803
0
2.57803
10 0.192301
11 0.192301
0.640367
0.667318
0
0
25
25
1.36719
1.41585
1.26386
1.30884
2.71035
2.80682
0
0
2.71035
2.80682
12 0.192301
0.68606
0
25
1.44643
1.33711
2.86745
0
2.86745
13 0.192301
14 0.192301
0.696443
0.698307
0
0
25
25
1.45896
1.45341
1.34869
1.34356
2.89227
2.88127
0
0
2.89227
2.88127
15 0.192301
0.691485
0
25
1.42977
1.32171
2.83443
0
2.83443
16 0.192301
17 0.192301
0.675797
0.651055
0
0
25
25
1.38806
1.32822
1.28315
1.22783
2.75172
2.6331
0
0
2.75172
2.6331
18 0.192301
0.617057
0
25
1.25024
1.15575
2.47851
0
2.47851
19 0.192301
0.573591
0
25
1.15408
1.06686
2.28789
0
2.28789
20 0.192301
21 0.192301
22 0.192301
0.520428
0.457327
0.384031
0
0
0
25
1.0397 0.961125
25 0.907059 0.838504
25 0.756092 0.698947
2.06114
1.79818
1.4989
0
0
0
2.06114
1.79818
1.4989
23 0.192301
24 0.192301
0.300266
0.205736
0
0
25 0.586745 0.542399 1.16318
25 0.398954 0.368801 0.790896
0 1.16318
0 0.790896
25 0.192301 0.0964921
0
25 0.185651
0
0.17162
0.36804
0.36804
El factor de seguridad mínimo indicado solo afectaría un espesor muy pequeño en la
parte superior del talud. En la figura siguiente se muestra el talud de 6 m de altura y
puede verse como el factor de seguridad aumenta rápidamente su valor en las
proximidades de la parte superior, con escasa afectación al mismo.
1.6. CONCLUSIONES
El talud adoptado de 1V:2H es estable en las condiciones analizadas, es decir con
humedad natural y con los parámetros determinados en la etapa de estudio. Para la
etapa de obra será necesario verificar los parámetros y condiciones estipulados para
los cálculos aquí presentados.
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Altura de talud: 6,00 m - Pendiente: 1V:2H
2. RELLENOS
La mayor parte de las estructuras están construidas por debajo del nivel del terreno
natural (cota 177,10) sobre losas de hormigón.
Para conformar la plataforma de trabajo para la construcción de pilotes se genera una
excavación para lograr las diferentes cotas de los cabezales.
Una vez que los cabezales estén terminados, entre la cota de base de la excavación y
los cabezales se ejecutará un relleno de suelo compactado dejando 5cm hasta la cota
de apoyo de losa, espacio que se completará con hormigón de limpieza, a fin de
obtener una superficie de trabajo uniforme y resistente sobre la cual se construirá la
losa de la base de la estructura que corresponda.
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Al finalizar la excavación para los trabajos de pilotaje, se hará una compactación de la
superficie remanente con un grado equivalente al 90 % de la densidad del ensayo
Proctor modificado.
Al concluirse la estructura de pilotes, se realizará el relleno de toda la excavación en
capas de no más de 25 cm hasta lograr la densidad requerida. Este relleno se
continuará posteriormente una vez terminada toda la estructura, hasta la cota del
terreno natural.
En el caso de rellenos por encima del terreno natural, o terraplenes que tienen carácter
de definitivos, la compactación deberá ser más rigurosa, por lo que se tendrá que
utilizar un grado de compactación equivalente al 95 % del Proctor modificado.
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3. VERIFICACIÓN DE CAPACIDAD DE PILOTES
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4. DISTRIBUCION Y DIAMETRO DE PILOTES
UNIDAD DE TRATAMIENTO
CÁMARA DE CARGA DE INGRESO
DESENGRASADOR
CÁMARA DE REJAS FINAS Y DESARENADORES - CAMARA DE INGRESO
CÁMARA DE REJAS FINAS Y DESARENADORES - CANAL DE REJAS
CÁMARA DE REJAS FINAS Y DESARENADORES - TRAMO DE TOLVAS
CÁMARA DE REJAS FINAS Y DESARENADORES - CÁMARA DE SALIDA
ESTACIÓN DE BOMBEO DE ARENA - CÁMARA HUMEDA
ESTACIÓN DE BOMBEO DE ARENA - CÁMARA DE VÁLVULAS
CÁMARA DISTRIBUIDORA SEDIMENTADORES PRIMARIOS (CÁMARA 1)
CÁMARA DISTRIBUIDORA TANQUE DE AIREACIÓN ( CÁMARA 2)
CÁMARA DISTRIBUIDORA SEDIMENTADORES SECUNDARIOS ( CÁMARA 3)
TANQUES DE AIREACIÓN
SEDIMENTADORES PRIMARIOS
SEDIMENTADORES SECUNDARIOS
EB DESAGÜES PLANTA
CÁMARA DE CONTACTO
ESPESADOR DE BARROS
DIGESTOR PRIMARIO
DIGESTOR SECUNDARIO
CISTERNA DE RESERVA DE AGUA POTABLE
MEDIDOR DE CAUDALES
DIAMETRO
DE PILOTE
cm
60/90
60
50
60
60
50
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60/90
80
80
50
60
En el caso de CÁMARA DE CARGA E INGRESO, para los pilotes centrales se adoptan
pilotes de 90cm de diámetro y para los esquineros de 60cm.
En el caso de ESPESADOR DE BARROS, para los pilotes de la tolva central se adoptan
pilotes de 90cm de diámetro y para los demás de 60cm.
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5. MÉTODO CONSTRUCTIVO DE PILOTES CON LODO BENTONÍTICO
5.1. TAREAS PREVIAS
a) Obtenido el Estudio Geotécnico, se tomarán los siguientes datos:
i. Corte estratigráfico y nivel de la capa freática.
ii. Características mecánicas del suelo.
iii. Grado de agresividad del suelo.
iv. Profundidad proyectada para la cimentación.
b) Limpiar y nivelar la superficie de trabajo, dejando una anchura conveniente para
el trabajo de la maquinaria a utilizar.
Una vez que se realizan dichas tareas previas, se procede con las actividades que
componen el procedimiento desde el inicio de la construcción de pilotes hasta su
culminación.
5.2. REPLANTEO
Para construir los pilotes es necesario hacer un replanteo de la zona y ubicar mediante
aparatos topográficos el centro de cada pilote. Se indicará la ubicación, la profundidad de
perforación y de desplante, dicha referencia deberá mantenerse vista todo el tiempo que
sea necesario.
5.3. PERFORACIÓN CON LODO BENTONÍTICO
En situaciones en que no se puede proteger la excavación con tubería, y en que las
paredes de la perforación son inestables, se utilizan lodos bentoníticos.
Estos lodos ejercen presiones hidrostáticas que ayudan al sostenimiento de las paredes.
Siempre deben controlarse las propiedades de los lodos por su viscosidad, densidad, PH,
contenido de áridos.
Cuando se aplica lodos bentonítico se requiere el montaje de una planta productora de
lodos al ritmo requerido para el proyecto, requiere una planta desarenadora, equipos de
bombeo especiales para recircular lodos desde el fondo de la perforación, un laboratorio
de campo y técnicos especializados capaces de medir en todo momento las
características de los lodos y las implicaciones de las mismas para las actividades de
perforación y colado de los pilotes.
Antes de perforar el lodo bentonítico se testea para saber si está en condiciones de
usarse, controlando la densidad y viscosidad, del “cake” y el pH, y el tenor de arena. En
casos especiales se adicionan productos químicos para mejorar sus condiciones,
corrigiendo la acidez del agua, aumentando la densidad de la masa, etc.
5.4. ARMADURAS
Los pilotes generalmente trabajan a compresión, la armadura es similar a la de las
columnas o pilares. Sin embargo, es necesario que la armadura sea capaz de soportar la
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flexión que se produce en el transporte del izado del pilote como también los esfuerzos
por flexión producidos por las fuerzas horizontales.
La armadura se compone de barras longitudinales colocadas en la periferia y de estribos
transversales o espirales en algunos casos.
En aquellos casos donde las longitudes y el diámetro de la armadura de los pilotes son
grandes, se le amarran en posición diametral dos ganchos en el extremo superior de la
armadura, es decir, el extremo que servirá como cabeza del pilote. La finalidad de los
rigidizadores es que la armadura permanezca sin deformarse, y evitar movimientos o
desplazamiento tanto del acero longitudinal como transversal.
Cuando ya se tiene listo el elemento estructural, se procede a conectar los ganchos con
los de la grúa para transportarlo hasta la excavación.
Cuando se trata de pilotes pequeños, el manejo y transportación del elemento se puede
realizar mediante personas, sin embargo debe tomarse en cuenta la manipulación
cuidadosa para evitar deformaciones
La armadura deberá quedar 20 cm. retirada del fondo de la excavación para lo cual será
necesario colocar en su extremo superior varillas de diámetro considerable, de tal manera
que puedan soportarla.
Una vez colocada la estructura, deberá rectificarse el alineamiento horizontal a través de
la brigada topográfica y utilizando las referencias de diseño.
5.5. HORMIGONADO
Para iniciar el proceso de colado del hormigón, se verifica si la perforación contiene
azolves o recortes sedimentados en el fondo. Es necesario hacer una limpieza
cuidadosa, mediante herramientas apropiadas, como por ejemplo utilizando un “air lift”.
El colado se realizará por procedimientos que eviten la segregación del hormigón y la
contaminación del mismo con el lodo estabilizador de la perforación o con derrumbes de
las paredes de la excavación. Se llevará un registro de la localización de los pilotes, las
dimensiones relevantes de las perforaciones, las fechas de perforación y de colado, la
profundidad y los espesores de los estratos y las características del material de apoyo.
La puesta en obra del hormigón se realiza mediante un tubo sumergido. El tubo se baja al
fondo de la excavación, luego se vuelca el hormigón en la capacidad de la tolva, se retira
el tapete y en forma continua se inicia el llenado del pilote. El volumen de hormigón que
se carga por tolva se desliza hacia el fondo desplazando el lodo hacia el exterior
(superficie).
A medida que va penetrando el hormigón y se eleva el nivel; es necesario ir sacando el
tubo, pero procurando que siempre permanezca sumergido uno o dos metros.
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6. INYECCIONES DE PRECARGA DE PILOTES
6.1. GENERALIDADES
El objetivo principal de esta operación es producir la "predeformación" del suelo a una
presión ligeramente mayor a la de servicio a fin de evitar deformaciones posteriores bajo
la acción de la estructura.
Se efectúa mediante los circuitos (tuberías) de inyección, sujetos a la armadura e
insertados en la celda especial de precarga. Se utilizan cañerías de polipropileno de ¾ o
1” de diámetro.
La precarga se constituye mediante inyecciones de lechada (una o múltiples) a una
presión igual a la tensión de punta de servicio más 10,00 t/m2 y mantenida el tiempo
necesario para asegurar su adecuada infiltración.
Se controla simultáneamente no exceder el número de bolsas de cemento por pilote,
efectuando un detallado seguimiento mediante planillas donde se indica: diámetro del
pilote, presión de media y máxima, tiempos de inyección, numero de bolsas de cemento
utilizadas, etc.
A los fines prácticos, puede aceptarse que en la punta de los pilotes se genera un bulbo,
obtenido por la consolidación provocada por la precarga, de área en planta igual a
aproximadamente una y media (1,5) vez la del fuste.
6.2. EQUIPOS
Los equipos necesarios para la inyección de los pilotes se compondrán, mínimamente,
de:
1. Una mezcladora y bomba inyectora de adecuadas características.
2. Una cañería para el transporte de la mezcla. La parte terminal estará provista de una
manguera armada de alta presión.
3. Un manómetro a colocarse a la salida de la bomba (para control).
4. Un manómetro a colocarse a la entrada de los caños puestos en el pilote y que se
encuentran conectados al disco de precarga.
6.3. PROCEDIMIENTO
A fin de realizar las inyecciones se deberá disponer en los pilotes y previo al hormigonado
de los mismos:
1. Cámaras de carga en los cabezales de los mismos.
2. Cañerías necesarias para realizar la inyección de lechada cementicia.
3. Dispositivo antiretorno para que la lechada circule en una única dirección.
4. La celda de precarga se materializa, constructivamente, de acuerdo a la
siguiente metodología definida a partir del diámetro del pilote:
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i.
Para < 0,80 m., efectuada la perforación, se coloca el árido (piedra partida)
vertido.
ii.
Para > 0,80 m. se coloca un canasto cilíndrico de igual diámetro, de tejido
metálico, colocado inferiormente a ella, lleno de piedra partida 1:3, que
asegurara la inyectabilidad del volumen puesto inmediatamente por debajo del
pilote y una uniforme distribución del empuje también en los suelos de
granulometría muy fina.
La mezcla de inyección estará constituida por agua y cemento portland normal, con una
dosificación A/C = 1, pudiendo utilizar al comienzo de la inyección una dosificación A/C =
1,5.
Antes de proceder a la inyección de la lechada cementicia se realizará un enérgico
lavado del circuito de inyección con agua.
Las etapas de inyección de lechada cementicia son las siguientes:
1. Bombeo de agua y enérgico lavado del circuito. Después de unos minutos de lavado
se pasará a la fase 2.
2. Mezcla, bombeo e inyección de una serie de pastones con A/C = 1,5. Cuando por el
caño de salida salga lechada, se deberá cerrar la válvula relativa y se comenzará la
inyección propiamente dicha. Anotando, mano a mano, las presiones alcanzadas, las
dosificaciones y las cantidades de lechada inyectada.
3. Mezcla, bombeo e inyección de una segunda serie de pastones con A/C = 1,0.
Siguiendo las mediciones especificadas en el punto 2. La inyección podrá terminar
antes de la fase 3 si se alcanza la presión requerida. Si la inyección está demasiado
lejos de la presión final prevista será oportuno lavar el circuito para intentar, después
de una oportuna parada, la terminación de la precarga (re-inyección).
Se permitirá la re-inyección de los pilotes, para alcanzar la presión de precarga
establecida, de manera excepcional, no siendo en ningún caso la regla a seguir. La
interrupción de la inyección se permitirá previo lavado con agua del circuito constituido
por las cañerías y cámara. El lavado de efectuará por medio del equipo de bombeo y se
considerará finalizado al salir agua limpia por el caño opuesto al de entrada.
El contratista deberá ejecutar en el predio de la obra un pilote de prueba para determinar
in-situ la presión a se deberá alcanzar en la inyección de lechada cementicia.
La operación de inyección se monitoreará con nivel óptico o flexímetros con el objeto de
registrar eventuales movimientos del pilote y corroborar el procedimiento contra el
realizado de prueba.
Geol. Juan C. Malecki
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