Análisis de Estabilidad de zanjas para excavaciones En muros Milán y pilas, mediante polímeros y bentonita

XXIX Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica
Noviembre 23 y 24, 2018 – León, Guanajuato
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica, A.C.
Análisis de Estabilidad de zanjas para excavaciones
En muros
Milán
y pilas,
El presente documento
muestra
algunos
cálculos
mediante polímeros
y para
bentonita
básicos
el diseño del nivel y parámetros de lodos para
zanjas, sin
embargo,
se piles
hará using
hincapié
en los and
demás
Stability analysis of trenches and excavations in diaphragm
walls
and bored
bentonite
factores
estratigráficos
y
físico
químicos
de
las
polymers
condiciones del subsuelo y se mostrarán un par de
ejemplos.Usar el conjunto de caracteres pequeño (8 en 9
Ramsés HUICOCHEA1, Javier GRAJEDA2 y Guadalupe CANDELAS3
1
Ground Technical Services
2
SNF Floerger
3
puntos) para las tablas (estilo Table text), los títulos de
SNF Floerger
RESUMEN: El presente trabajo muestra el desarrollo de distintos análisis para llegar al diseño óptimo de la
estabilidad de zanjas y perforaciones de pilas, mediante la utilización de lodos estabilizadores con polímero y bentonita.
El artículo está estructurado para presentar por un lado un par de teorías para el diseño de la estabilidad de la zanja, tanto
para bentonita como con polímero, y se muestra un diseño real para dos casos reales: uno en suelo cohesivo y otro en
suelo friccionante. Finalmente se realiza una discusión de la comparativa al utilizar bentonita y polímero y se exponen
las ventajas y desventajas, con el objetivo de clarificar y dar herramientas para diseñadores y constructores que están
involucrados en la práctica profesional con este tipo de trabajos en la construcción geotécnica.
ABSTRACT: This actual work shows the performance from different analysis to obtain the optimal design for the
stability trenches and drillings for piles and diaphragm walls by using stabilizing muds with polymer and bentonite and
is showed a real design for two real cases: one is on cohesive soil and the other one for a frictional soil. Finally, was
performed a discussion of the comparison when is used bentonite and polymer and the advantages and disadvantages are
exposed to clarify and provide tools to the designers and geotechnical builders who participate with this kind of works in
the geotechnical construction.
1 INTRODUCCIÓN
El tema de la estabilidad en las perforaciones y
excavaciones in situ, las cuales se utilizan para las pilas y
muros pantalla respectivamente, se ha logrado desarrollar
mediante lodos estabilizadores, los cuales en un principio
fueron con bentonita y mezclas de lodo fraguante y
posteriormente con polímero.
Actualmente, para diseñar adecuadamente y con mayor
control y seguridad el lodo estabilizador es necesario, no
sólo elegir entre utilizar polímero y/o bentonita y calcular
el nivel del lodo en la zanja y el correspondiente factor de
seguridad, también se debe estudiar en primera instancia
las condiciones estratigráficas del sitio: la resistencia,
permeabilidad, granulometría, presencia de nivel freático
y presiones hidrodinámicas, así como el grado de
salinidad, presencia de sulfatos y dureza del agua.
Todos los anteriores factores más el estudio adecuado
de cada proyecto en específico de acuerdo con las
condiciones locales de espacio en las obras, disponibilidad
de las zonas de tiro para los residuos sólidos y normas
ambientales, garantizarán una buena elección y diseño de
lodos para cada proyecto.
El presente documento muestra algunos cálculos básicos
para el diseño del nivel y parámetros de lodos para zanjas,
sin embargo, se hará hincapié en los demás factores
estratigráficos y físico químicos que tienen importancia
además de las condiciones del subsuelo y se mostrarán un
par de ejemplos.
2 TIPOS DE LODOS
2.1 Lodos con bentonita
Es sabido que la bentonita es una arcilla
montmorillonita de alta plasticidad formada naturalmente
con los depósitos de ceniza volcánica y puede ser del tipo
sódica o cálcica.
La bentonita desde el punto de vista mineralógico es
básicamente una arcilla de tres capas formada por los
siguientes minerales: sílice-aluminio-sílice y se utiliza en
base acuosa para formar así los fluidos de perforación
(Romai, 2008).
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2
AUTORES A., B. __________________________________________________________________________________________
Los tipos de arcilla existentes son las siguientes:
Bentonita
“Cake”
Tabla 1. Tipos de arcillas y tipos de estructura mineral
Tipo de arcilla
Ss
Capas
Minerales
Kaolinita
2.63
2
Sílice-aluminio
Montmorillonita
2.35
3
Sílice-aluminio-sílice
Ilita
2.84
3
Sílice-aluminio-sílice
4
Aluminio-sílice-aluminiosílice
Clorita
2.71
Tabla 2. Tipos de arcillas y sus usos y características
Tipo de arcilla
Origen
Usos y características
Kaolinita
Lutitas duras y gomosas
Alfareria, ladrillos
Montmorillonita
Ceniza volcánica
Bentonita
Ilita
Micas, lutitas duras
No sirve como fluido
Clorita
Lutitas duras y gomosas
No sirve como fluido
Figura 2. Ejemplo de perforación y costra o “cake”
Figura 1. Estructura de la bentonita (Romai, 2008)
Figura 3. Ejemplo de planta de lodos tipo (Romai, 2008)
El objetivo de utilizar un lodo bentonítico es
básicamente obtener un fluido que sirve como un
mecanismo de estabilización temporal contra la falla de la
zanja, al resistir el empuje activo del suelo en las paredes
de la zanja y la presión hidrostática, en el caso exista nivel
freático. Adicionalmente se tiene un beneficio adicional al
utilizar el lodo de bentonita al formase una costra llamada
“cake”, la cual es una película delgada de arcilla que se
deseca por la pérdida de agua, en esa interfaz, y
adicionalmente la baja permeabilidad de esa membrana
ayuda a que la pérdida de fluido en la excavación sea
controlada y mínima.
2.2 Lodos con polímero
De manera similar al fluido estabilizador con bentonita
se han desarrollado lodos estabilizadores de excavaciones
y perforaciones mediante lodos con polímeros. Los
polímeros son macromoléculas cuya estructura molecular
puede ser caracterizada por una secuencia repetitiva de
unidades estructurales, de manera similar a los eslabones
de una cadena. Existen biopolímeros, polímeros semi
sintéticos y polímeros completamente sintéticos
(Lesemann, 2008).
Los lodos estabilizadores con polímero son soluciones
coloidales donde las partículas del polímero son el soluto
son mucho más grandes que las partículas del agua que es
el solvente. Por otro lado, se tiene que la viscosidad de los
lodos poliméricos depende del índice de corte de las
cadenas del polímero y su resistencia depende de la
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3
alineación de las cadenas rígidas del polímero en rangos
más grandes de ruptura
Una de las principales diferencias entre los lodos con
bentonita y los lodos con polímero con respecto a la
resistencia como soporte de la excavación es que los
polímeros manifiestan una muy baja resistencia al corte o
no presentan una resistencia límite y por lo cual en teoría
su penetración al suelo nunca se detiene, sin embargo esto
es parcialmente cierto ya que depende de las
dosificaciones y de las cadenas del polímero que se
pueden controlar e inducir mayor estabilidad en el lodo y
proporcionar mayor soporte a la excavación (Lesemann,
2008).
Las principales ventajas de los polímeros es el manejo
ya que las dosificaciones son del orden del 1% con
respecto al volumen de bentonita. Por lo cual se tienen
menos problemas de espacio, en la obra además que la
disposición de los lodos para su retiro y transporte a las
zonas de tiro es mucho menor y por lo tanto esto
representa una ventaja económica y ambiental a las obras.
Los polímeros son coloides orgánicos, constituidos por
unidades estructurales llamadas monómeros, que se
repiten en cadena mediante un proceso de polimerización
y dichas cadenas pueden ser lineales o ramificadas.
Figura 4 Espectro de cadenas de polímeros (SNF Floerger ,
2016)
Tabla 3. Tipos de polímeros de acuerdo a su carga y peso
Tipo de polímeros
Por su uso
Catiónicos
Viscosificador
alto
Floculantes
medio
Aniónicos
Peso molecular
Dispersantes
bajo
Viscosificador
alto
Floculantes
medio
Dispersantes
bajo
Polímero
Sin cake
Figura 5 Esquema general de una zanja estabilizada con
polímero
3 PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICAS DE LOS
LODOS DE PERFORACIÓN Y ESTABILIZACIÓN
Tradicionalmente se obtenía en las obras sólo los
siguientes parámetros: Densidad, viscosidad, potencial de
hidrógeno (pH) y contenido de arena; sin embargo el
obtener sólo estos parámetros no garantiza un buen
desempeño del lodo estabilizador ya que adicionalmente
se debe obtener la cantidad de sulfatos, cloruros y
presencia de sales y materia orgánica en el suelo y agua
freática ya que un exceso de estos elementos químicos
puede alterar la viscosidad y por consecuencia la
estabilidad interna y las filtraciones hacia el suelo, por lo
cual se presenta a continuación los parámetros que se
deben revisar y controlar en los lodos estabilizadores en
las perforaciones y los rangos de valores en cada
parámetro.
3.1 Densidad
Se tiene que obtener la densidad controlada de los
lodos de perforación debido a que de esto depende la
estabilidad del lodo y su nivel dentro de la excavación
para garantizar que el nivel estático del lodo garantiza que
la fuerza hidrostática es suficiente para compensar el
empuje activo del suelo circundante en la perforación y de
las paredes de la excavación en el caso de una zanja para
un muro pantalla.
Para obtener esta propiedad es común utilizar una
balanza de lodos como la que se muestra a continuación:
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4
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3.3 Contenido de arena
Figura 6 Balanza de lodos
Con la balanza de lodos se puede obtener la densidad,
así como el peso específico en unidades de g/cm3 y en
ton/m3. Las densidades en un lodo bentonítico varía entre
1.02 y 1.07 g/cm3, y en un lodo polimérico varía entre
1.01 y 1.03 g/cm3.
Se recomienda que el porcentaje de arena no sea
excesivo, puede ser máximo 10% o menos, ya que puede
generar una costra de mayor espesor, lo cual no es
deseable; en el caso de lodos poliméricos, se recomienda
sea menor al 3%, ya que puede provocar mayor desgaste
en las herramientas de corte y maquinaria y un manejo
más complicado de los desechos del lodo ya utilizado.
Para determinar l porcentaje de arena se puede utilizar
una malla del número 200 y obtener el porcentaje en peso
con respecto a la muestra para así determinar el porcentaje
aproximado de arena en el lodo. Por otro lado existe un
dispositivo llamado Kit de arena, el cual se constituye por
un recipiente de 2.5” de diámetro con malla de bronce del
número 200, un embudo y una probeta graduada de 0 a
20% para leer directamente el porcentaje de arena en
volumen.
3.2 Viscosidad Marsh
La viscosidad del fluido de perforación y estabilizador
mide, de alguna forma, la resistencia interna del fluido y
evita y/o retrasa la pérdida de fluido por las paredes de la
excavación sobre todo en el caso de los lodos poliméricos
donde no existe el “cake” (Sociedad Mexicana de
Mecánica de Suelos, 2002).
La forma de medirla es mediante el cono Marsh, el cual
es un tipo embudo por donde se mide el tiempo en
segundos que tarda en vaciarse un cuarto de galón (96
cm3) de lodo, a través del orificio inferior que tiene.
Figura 8 Medidor de contenido de arenas (Romai, 2008)
3.4 Potencial de hidrógeno pH
El potencial de hidrógeno es un indicador de que la
viscosidad no ha caído o subido súbitamente y se
mantiene controlada, ya que las propiedades de los lodos
se ven afectadas directamente por la cantidad de
electrólitos presentes en el agua al elevar o disminuir el
grado de acidez o alcalinidad de la sustancia (Sociedad
Mexicana de Mecánica de Suelos, 2002).
Figura 7 Cono Marsh (Romai,2008)
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5
Se puede medir con bandas de pH, las cuales varían su
color en función de la alcalinidad o acidez, o existen
aparatos electrónicos que pueden medir dicho parámetro.
El pH, en un lodo bentonítico debe andar entre 7 y 10,
el caso de un lodo polimérico se recomienda este entre 9 y
10, ya que debido a que no forma “cake” una forma de
mantener estable la perforación es garantizando que la
viscosidad no baja drásticamente.
3.5 Dureza del agua
La dureza del agua es la cantidad de cloruros y/o calcio
que tiene el agua que se usa como base para mezclarla con
el polímero o bentonita. La presencia de estos elementos
hace que la viscosidad y resistencia interna del lodo baje
también lo cual afecta la seguridad de la excavación. En el
caso de los lodos de bentonita el calcio es un elemento que
afecta el rendimiento de las arcillas.
Se recomienda controlarlo con carbonato de calcio ya
que esto ayuda a que el calcio se precipite como un sólido
inerte (Romai, 2008).
3.6 Permeabilidad y presión hidrodinámica
Cuando se tiene presencia del nivel freático,
usualmente se toma la presión del agua como hidrostática
cuando se carece de medidas piezométricas, sin embargo,
esto tiene dos implicaciones desfavorables:
1.
2.
Si la presión del agua no es constante y tiene
abatimientos, quiere decir que en dicha zona se
tendrá un aumento de los esfuerzos efectivos por lo
cual el empuje activo es relativamente mayor.
Adicionalmente al bajar la presión del agua induce
al lodo a salir por las paredes al perder presión
externa del agua freática, así pues, se puede
acelerar de alguna forma la fuga de lodo y una
bajada súbita del nivel y poner en riesgo la
estabilidad de la excavación además de inducir
hidrofracturamiento en el caso de suelo blandos
arcillosos o lavado de finos y pérdida de suelo en
las paredes por caídos en el caso de suelos
granulares.
Figura 8 Ejemplo de abatimiento de presión y zona
de fuga de fluido en excavación circular
3.7 Dosificación
La dosificación del producto en la base agua, ya sea
bentonita, polímero o una mezcla de estos dos, define la
viscosidad de la mezcla del lodo estabilizador, y
usualmente se utilizan dosificaciones a maneras de receta
en la práctica; sin embargo en los últimos años e ha
desarrollado el conocimiento de cómo la dosificación
controlada y donde se toma en cuenta la estratigrafía da
mejores resultados, sobre todo en el caso de los polímeros
donde se tienen rangos de dosificación escalonados de
acuerdo al tipo de estratos que se van a atravesar con la
perforación y/o excavación de zanjas.
En el caso de las bentonitas se tienen que las
dosificaciones recomendadas son de aproximadamente
entre el 5% y el 10% en peso por unidad de volumen de
agua (Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, 2002).
Por ejemplo, para 1 m3 de agua se tiene una dosificación
media de bentonita de 100 kg, mientras que en el caso de
polímero se utilizaría 1 kg de producto.
En el caso de los polímeros las dosificaciones van del
orden del 0.5% al 1.3% en peso de producto disuelto en la
base agua, para obtener el rango de dosificaciones
necesario de acuerdo con los distintos tipos de suelo.
Se muestra a continuación unas tablas resumen de los
rangos de dosificaciones usuales para el caso de lodos con
bentonita y con polímero:
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Tabla 3 Dosificación aproximada en lodos de bentonita y
polímero
Tipo de producto
Agua (lit)
Dosificación (kg)
Bentonita
1000
30 a 80
Mezcla*
1000
10-15 ben y 1-2 pol
Polímero
1000
1a2
*Para mezcla de polímero con bentonita
Tabla 5 dosificación típica en lodos con polímero (SNF Floerger
, 2016)
Type
Concentration
Funnel viscosity
(lbs/1000 gals)
(kg/m3)
(sec/qt)
Clay &
shale
3.4-4.0
0.4-0.5
35-50
Silt & fine to
med. Sand
4.0-5.0
0.5-0.6
45-55
Coarse Sand to
pea gravel
6.0-8.0
0.7-0.9
60-75
Gravel to
Cobble
9.0-12.0
1.0-1.3
80-125
En el Manual de Construcción geotécnica (Sociedad
Mexicana de Mecánica de Suelos, 2002), se presenta una
tabla con viscosidades recomendadas, pero está limitado a
los suelos arcillosos de la ciudad de México, para tener un
espectro más amplio, y si se quiere ver la viscosidad
recomendada para suelos granulares de mayor
permeabilidad y peso específico, se recomienda basarse en
la Tabla 4.
4 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD Y PERFORACIONES
DE ZANJAS
Figura 9 Proporción en volumen de dosificación de bentonita vs
polímero
De acuerdo con los rangos de dosificaciones usuales y
de acuerdo al tipo de suelo se muestra a continuación unas
tablas resumen de los rangos de densidades con lodos de
bentonita y polímero, por lo cual esto se debe tomar en
cuenta al diseñar el nivel de estabilidad en la zanja y/o
perforación.
Tabla 4 Dosificación recomendada para lodos con bentonita
Tipo de suelo
Funnel viscosity
(sec/qt)
Natural sweeling clays
32-37
Non swelling clays
40-45
Medium sand
45-55
Coarse sand
55-65
Gravel
65-75
Coarse gravel
75-85
4.1 Análisis con equilibrio límite
Cómo se ha mencionado anteriormente la estabilidad de
las perforaciones y zanjas en suelos inestables se
estabilizan temporalmente con los lodos bentoníticos y/o
poliméricos. El concepto físico de estabilizar la zanja se
fundamenta en contrarestar la presión del empuje activo
de la zanja más la presión hidráulica en el caso de existir
nivel freático y/o presencia de agua en la masa de suelo
donde se está excavando, esta presión resistente de las
paredes de la excavación se lleva a cabo por la presión
hidrostática del lodo estabilizador (ver Figura 11).
Existen varias teorías y fórmulas para calcular la
estabilidad en perforaciones y zanjas, sin embargo, se
considera, para el presente trabajo, que la expresión más
básica y fácil de aplicar y entender es la que viene en el
Manual de Diseño de Construcción de Pilas y Pilotes
(SMMS, 1983). Esta expresión es la siguiente:
𝐸 >𝐸 +𝐸
(1)
Desarrollando la siguiente desigualdad se obtienen las
siguientes ecuaciones:
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7
s’: Peso volumétrico del suelo excavado
ka: coefieciente de empuje activo, según Rankine (1/N )
n tan2(45°+2), donde , es el ángulo de fricción
interna del suelo (°)
Para el caso de de un suelo friccionante, se menciona
en la referencia citada, que donde el nivel del lodo y en
NAF coincidan hipotéticamente con el nivel de terreno
natural, a boca de la perforación, se tendría lo siguiente
(Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, 2002):
𝐹𝑆 =
Figura 11 Esquema general de una zanja estabilizada con lodo y
las presiones actuantes
Tabla 6 Expresiones para el cálculo del factor de seguridad de
estabilidad de la zanja (SMMS, 1983)
Suelos
𝐹𝑆 =
Cohesivos
𝐹𝑆 =
Cohesivo friccionante
𝛾𝑙 𝑛2
𝑘𝑎 𝐹1 + 𝛾𝑤 𝑚2
𝛾𝑙 𝑛 2
𝛾𝑠 𝐹1 + 𝛾𝑤 𝑚2 − 4𝑐 ℎ
𝑠
𝛾𝑙 𝑛2
𝐹𝑆 =
𝑘 𝛾 𝐹 + 𝛾 𝑚2 − 4𝑐
𝑎 𝑠 1
𝑤
ℎ𝑠 𝑁𝜙
l: Peso volumétrico del lodo
(F/L3)
s: Peso volumétrico del suelo excavado (F/L3)
w: Peso volumétrico del agua
(F/L3)
c: Cohesión del suelo excavado
(F/L3)
hs: Profundidad de la excavación
(L)
n: Relación entre el tirante del lodo dentro de la
excavación y la profundidad de la zanja
𝑛=
ℎ
ℎ
1−
Para el caso de perforaciones circulares, se recomienda
revisar la referencia citada donde vienen las expresiones
correspondientes.
4.2 Análisis de estabilidad de la zanja en un medio
Las expresiones anteriores se consideran sencillas de
aplicar y bastante intuitivas, sin embargo, tienen dos
inconvenientes:
1. Están pensadas en un suelo con propiedades
homogéneas o en la cual si se tiene un suelo estratificado
y se obtienen propiedades ponderadas.
2. No se toma en cuenta las caídas de presión o
cambios por abatimiento hidráulico en un medio
estratificado.
Aunque las expresiones del subcapítulo anterior se
pueden adaptar a un suelo estratificado, no se subsana el
tema de la posibilidad de un cambio de presión, en la cual
se tenga una situación de inestabilidad local, por lo cual se
propone en el presente trabajo una expresión la cual tome
en cuenta la inestabilidad en un medio estratificado,
mediante la evaluación de estabilidad por cada estrato,
mediante la siguiente expresión:
𝐹𝑆 =
(2)
m: Relación entre el tirante de agua y la profundidad de
la zanja
ℎ
𝑚=
(3)
ℎ
F1:Factor adimensional que significa lo siguiente:
𝐹 = 1−𝑚
𝛾
𝛾
(4)
(5)
estratificado
Factor de swguridad
Friccionantes
𝛾
𝑘 𝛾 +𝛾
𝑎
𝑏 +𝑐
(6)
Donde
ai: Sumatoria de presión de lodo actuante acumulada
para estabilizar la zanja
bi: Sumatoria de presión activa de suelo acumulada por
estrato
c i:Sumatoria de presión hidráulica de suelo acumulada
por estrato
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Tabla 7 Estratigrafía de un suelo blando cohesivo
𝑏 =
(𝛾 Δ 𝑘 ) + (𝛾
𝑏 =
Δh
(𝑝𝑤 ) + (𝑝𝑤
)
𝑘
)
(8)
(9)
Figura 12 Esquema general de una zanja estabilizada con lodo en
un medio estratificado
De acuerdo a las expresiones se tiene que si se requiere
evaluar el factor de seguridad ponderado se puede obtener
de la siguiente manera:
𝐹𝑆 =
∑
∑
(𝐹𝑠 Δℎ )
Δℎ
Est rato
Espesor (m)
espesor (m )
 (kN/m 3 )
 (°)
c (kN/m 2 )
A
0.0-5.0
5
15
11
50
CH
B
5.0-30.0
25
12
0
30
CH
SUCS
C
30.0-34.0
4
15
25
100
CL
D
34.0-40.0
6
13
0
40
CH
E
40.0-59.50
19.5
17
31
120
SM
De acuerdo con la anterior estratigrafía se tiene que el
nivel freático se encuentra a los 3.0 m de profundidad y se
obtuvo la piezometría, por lo cual la gráfica de esfuerzos
queda de la siguiente manera:
Se puede observar como en suelos cohesivos de alta
plasticidad bajo en nivel freático los factores de seguridad
bajan notablemente y dan valores cercanos a la unidad lo
cual indica que hay inestabilidad incipiente, por lo cual
habría que subir un poco el peso volumétrico del lodo en
el caso de un lodo bentonítico y seguir manteniendo una
viscosidad baja que no genere mayor peso y precipite la
perdida de fluido.
En el caso de los estratos granulares se observa cómo,
aunque, en teoría el factor de seguridad es alto y no hay
riesgo de inestabilidad, pero existe posibilidad de pérdida
de fluido ya que son estratos permeables y el empuje
activo y piezométrico disminuye drásticamente y el
empuje del lodo supera ampliamente esos empujes
resistentes y por lo tanto el lodo comienza a fluir por
estratos permeables.
(10)
5 EJEMPLO DE ANÁLISIS DE ESTABILIDAD EN
MEDIOS ESTRATIFICADOS
Con el objetivo de ver la aplicación de las expresiones
mostradas en el capítulo anterior se muestran dos ejemplos
reales en dos tipos de suelo: en primera instancia veremos
un ejemplo en un suelo cohesivo y posteriormente un
ejemplo en un suelo granular.
5.1 Ejemplo en un suelo cohesivo
Se muestra a continuación la estratigrafía de un suelo
típico en zona de lago centro, donde se mostrarán los
resultados de un análisis de estabilidad de la zanja para un
medio estratificado tomando en cuenta su abatimiento, el
NAF, se considera a los 2.0 m:
Figura 13 Esfuerzos en el sitio y presión de lodo vs profundidad
en suelo cohesivo
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9
Figura 14 Factor de seguridad vs profundidad cohesivo
Figura 15 Esfuerzos en el sitio y presión de lodo vs profundidad
en suelo granular
5.2 Ejemplo en suelo granular
De manera similar al ejemplo anterior se muestra a
continuación la estratigrafía de un suelo típico en zona de
lago centro, donde se mostrarán los resultados de un
análisis de estabilidad de la zanja para un medio
estratificado de un suelo granular donde el NAF está a 3.0
m.
Tabla 8 Estratigrafía de un suelo blando cohesivo
Estrato
Espesor (m)
espesor (m)
 (kN/m 3 )
 (°)
c (kN/m 2 )
SUCS
A
0.0-3.0
3
16
29
10
GP-GM
B
3.0-5.0
2
18
36
10
SM
C
5.0-10.0
5
19
38
10
GW-GM
D
10.0-21.0
11
18
39
10
SW-SM
E
21.00-32.00
11
18
40
15
SW-SM
F
32.00-36.00
4
18
41
20
SP-SM
Se muestra a continuación el estado de esfuerzos
efectivos horizontales, así como los empujes hidrostáticos
y del lodo estabilizador:
Cuando comienza a profundizar más la excavación la
inestabilidad se hace evidente debido a que la presión
horizontal del lodo no llega a compensar el empuje del
suelo y la presión hidrostática.
Figura 16 Factor de seguridad vs profundidad en suelo granular
En el caso de los suelos granulares se observa que a
pesar de que los empujes efectivos son muy bajos por la
resistencia por fricción es alta, el empuje hidrostático es
lineal y la suma del empuje del suelo más el agua a partir
de los 15 m exceden la presión del lodo y por lo tanto el
factor de seguridad comienza a ser inestable y hay un
riesgo de falla inminente y no se recupera ya que el
empuje crece con la profundidad y adicionalmente existe
pérdida de fluido desde los primeros estratos, por lo cual
falló dicha excavación.
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6 CONCLUSIONES
• Las ventajas de un lodo bentonítico son que se
pueden conseguir pesos volumétricos mayores y generan
la costra (“cake”), y evitan de alguna forma la pérdida de
fluido. Las desventajas que manejan volúmenes muy altos
de lodo y requieren espacios mayores en las obras y
dificultan su manejo, además que son ambientalmente
contaminantes.
• Las ventajas de un lodo con polímero es que se
manejan volúmenes 100 veces menor que la bentonita,
que son ambientalmente compatibles y su manejo en obras
con espacios reducidos son ideales. Las desventajas es que
no generan el “cake”, pero se puede compensar esto con
copolímeros para control de pérdida de fluido.
• Las expresiones del Manual de Pilas y Pilotes
(SMMS, 1983), para el cálculo del factor de seguridad de
la estabilidad de la zanja, son adecuadas para un suelo
homogéneo o con propiedades estratigráficas similares y
se puede ponderar las propiedades.
• El hecho de tener factores de seguridad mayores a la
unidad garantiza cierto nivel de estabilidad, pero en suelos
granulares no indican si hay posible pérdida de fluido, por
lo cual valores de F.S. mayores a 1.5, revisar si hay
estratos granulares y es casi un hecho que habrá fuga de
lodo estabilizador.
• En suelos cohesivos se tienen esfuerzos horizontales
más altos y menor pérdida de fluido, pero los factores de
seguridad son bajos y aumentan en lentes arenosos, pero
no cuantifican ni evitan la pérdida de fluido, hay que
observar las gráficas de todos esfuerzos con la
profundidad.
• En suelos granulares bajo el agua es muy difícil
evitar la pérdida de fluido y se debe observar la gráfica de
esfuerzos con la profundidad y revisar donde comienza a
ser inestable y pensar en utilizar ademes, siempre que sea
posible o aumentar la viscosidad y peso volumétrico del
lodo y adicionalmente utilizar inhibidores para control de
pérdida de fluido en el caso de polímeros.
7 REFERENCIAS
Lesemann, H. (2008). Application of polymeric supporting fluids
for the construction of bored piles and diaphragm walls.
Munchen, Germany: Zentrum Geotechnik: 18p.
Romai, Y. (2008). Fluidos de perforación. Ciudad de México:
230 p.
SMMS. (1983). Manual de Construcción de Pilas y Pilotes.
Ciudad de México: SMMS 223 p.
SNF Floerger . (2016). General Presentation. Mexico City: SNF.
Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. (2002). Manual de
Construcción Geotécnica I. México D.F.: SMIG: 368p.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.