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Microsoft Word - 7-CAP VII-ESTRUCTURAS DE CONTENCION 2003.docSECRETARIA DE ESTADO DE OBRAS PUBLICAS Y COMUNICACIONES REPUBLICA DOMINICANA
Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-1 Estructuras de contención
CAPITULO VII ESTRUCTURAS DE CONTENCION
VII.1 CONSIDERACIONES GENERALES
Las estructuras de contención son necesarias en muchos caminos vecinales bien por estar concebidas en el proyecto de construcción de una nueva vía o variante de un camino existente, o para corregir y reparar fallas de taludes naturales o de corte y terraplenes que ocurran después de su construcción. Los sistemas de prevención o corrección de deslizamientos pueden agruparse en forma generalizada en cinco categorías, tal como se muestra en la tabla de la Figura VII-1.
Método Obras
Profundo: Colchones de material granular y filtros, pozos de pequeño diámetro, pozos de gran diámetro conectados con drenes horizontales (patentado por Rodio), galerías, drenes horizontales, drenes direccionales, drenes verticales desde galerías, trincheras drenantes, rebajamiento por vacío y por sifonamiento, electroosmosis, geosintéticos como elementos drenantes, drenaje mediante explosivos.
Movimiento de tierras Rectificación de pendiente, reducción de altura, bermas estabilizantes.
Obras de contención Externa: Muros y pantallas.
Interna: Suelos reforzados.
Cobertura vegetal y refuerzo con raíces, concreto proyectado, riegos asfálticos, losas de gaviones y otros productos, bolsacreto, enfaginado, mallas metálicas, barreras, pernos, cunetas y sobre-anchos para captación de rocas, etc.
Métodos varios
Endurecimiento de la masa en movimiento por tratamiento químico, congelación, etc., explosivos, uso de agregados livianos, bloques de anime, neumáticos usados, trozos de neumáticos, inclusiones de geosintéticos.
Figura VII-1. Métodos para prevención y corrección de deslizamientos
En este Capítulo se discuten principalmente las obras de contención, tanto los sistemas de estabilización externa como los de estabilización interna. Los tipos de subdrenajes más utilizados y los criterios de materiales de filtro, se tratan en el Capítulo V, Terraplenes.
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-2 Estructuras de contención
La selección del método o combinaciones de métodos de estabilización para un determinado problema de movimiento de masas, depende de múltiples factores, entre los cuales se pueden citar:
• La geometría del talud.
• Las características del subsuelo.
• Las causas que originaron el movimiento de masas y el mecanismo de rotura.
• La velocidad del movimiento.
• Consecuencias del colapso.
• Tecnología y métodos disponibles. La selección y concepción de un método de estabilización también depende del nivel de deformación de la masa involucrada en un problema específico. No es el mismo caso diseñar una obra para prevenir un deslizamiento que para el caso de un deslizamiento en franco movimiento, pero que todavía no ha colapsado completamente. Asimismo, estaríamos en presencia de un caso diferente si se trata de diseñar y tomar medidas de reparación después de que el colapso total de la masa haya ocurrido. En los tres casos, los parámetros de diseño son diferentes y por lo tanto, las medidas correctivas resultarían también distintas. Otro aspecto de interés que debe ser considerado en la etapa de diseño de las obras de estabilización, es la selección del factor de seguridad. Las obras de estabilización son generalmente costosas y serán mucho más costosas aún, si se diseñan con altos factores de seguridad. En ocasiones se comete el error conservador de diseñar obras de estabilización en una ladera natural, adoptando un factor de seguridad mucho mayor que el que ella tenía antes de generarse el movimiento. Una estrategia que pudiera evitar costos iniciales innecesarios pero que puede aliviar la incertidumbre natural respecto al comportamiento definitivo de la obra de estabilización, es complementar dicha obra con sistemas de instrumentación. En estos casos, dentro de la concepción del sistema de estabilización, hay que dejar las previsiones para complementar dichas obras si los resultados de las mediciones de la instrumentación instalada así lo justifican. Existe una gran cantidad de valiosa literatura técnica relacionada con métodos de estabilización. De las publicadas en los últimos quince años que presentan una síntesis muy completa de tales métodos, vale la pena mencionar las excelentes contribuciones realizadas por Mitchell (1981), Leventhal & Mostyn (1987) y Schuster (1995), trabajos que se consideran esenciales referencias del tema a tratar.
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-3 Estructuras de contención
VII.2 ESTRUCTURAS DE CONTENCION
Los sistemas de contención o retención de tierras han sido clasificados por O’Rourke & Jones (1990), en sistemas de estabilización externa y sistemas de estabilización interna, tal como se indica en la la Figura VII-2. Ejemplos de estos sistemas, se muestran en la Figura VII-3.
Para fines de esta Guía se seleccionaron aquellos sistemas de estabilización de uso más frecuente y que pudieran ser eventualmente aplicables a caminos vecinales. En las fotos de la Figura VII-4 se muestran diferentes tipos de estructuras de contención. El procedimiento general de diseño de estructuras de contención, debe considerar los siguientes aspectos:
• Selección del tipo de muro a emplearse.
• Predimensionado de la sección.
• Evaluación de solicitaciones de empujes de tierra.
• Cálculo de los factores de seguridad para los distintos modos de falla externa tales como volcamiento, deslizamiento y hundimiento o falla por capacidad soporte.
• Análisis de la estabilidad global del conjunto suelo-muro.
Figura VII-2. Clasificación de sistemas de contención de tierras.
CLASIFICACION DE SISTEMAS DE CONTENCION DE TIERRAS (Modificada de O’Rourke and Jones, 1990)
SISTEMAS DE ESTABILIZACION EXTERNA
SISTEMAS DE ESTABILIZACION INTERNA
geosintéticos • Tiras y mallas
prefabricado. • Tablestacas • Suelo-cemento • Inyección a alta
presión • Columnas de
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-4 Estructuras de contención
Figura VII-3. Ejemplos de sistemas de estabilización externa e interna (O´Rourke & Jones, 1990).
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-5 Estructuras de contención
(f ) (e)
(a) (b)
(c) (d)
Figura VII-4. (a) Gavión y suelo reforzado del sistema terramesh de Maccaferri. (b) Muro- jaula o de elementos prefabricados. (c) Muro de tierra armada. (d) Muro reforzado (e) Pantalla de concreto lanzado atirantada. (f). Pantalla de pilotes, anclados en cabeza.
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-6 Estructuras de contención
A continuación se discuten aspectos relativos al diseño y construcción de los diferentes tipos de estructuras de contención de uso más frecuente.
VII.2.1 Muros de gaviones VI.2.1.1 Generalidades Los muros de gaviones son estructuras de gravedad que desarrollan su resistencia a empujes laterales por la acción de su propio peso, sin que su sección desarrolle solicitaciones internas de flexión. Esta aseveración es también válida para muros de concreto ciclópeo, o piedra cementada. Los muros de gaviones están constituidos por cestas, típicamente de 1 x 1 m en sección transversal y de 2 a 6 m de longitud, las cuales son rellenadas con rocas cuya gradación está generalmente entre 10 y 25 cm. Los gaviones se caracterizan por su flexibilidad y su alta permeabilidad, sin embargo, para evitar su colmatación por migración de finos, es conveniente el uso de geotextiles diseñados para tal fin entre el muro y el material de relleno detrás de él. Se puede decir que este tipo de muros ha sido universalmente “usado” y “abusado”. Su abuso radica en la construcción de los mismos sin diseño alguno, con materiales inadecuados, y sin cumplir las más elementales especificaciones. Como consecuencia de estas malas prácticas, han ocurrido muchas fallas que han originado el injusto cuestionamiento de los mismos.
VI.2.1.2 Criterios de diseño de muros de gaviones Los métodos de diseño han sido ampliamente publicados por fabricantes, aplicando esencialmente la teoría de Coulomb para empujes de tierra (Maccaferri, Beakert Gabions, Interandina de Gaviones, etc.). El diseño sísmico y el comportamiento de muros de gravedad, han sido detalladamente tratados por Whitman (1990). El diseño debe satisfacer condiciones de falla por volcamiento, capacidad de soporte del terreno de fundación y falla por deslizamiento. En cada junta horizontal o subhorizontal de las cestas, se deberá verificar el deslizamiento y el volcamiento de los bloques por encima de dicha junta. Asimismo, se deberá verificar que la resultante de las solicitaciones se ubique dentro del tercio central de la base de cada junta. Aunque generalmente se asume que el muro mismo es incompresible, según la técnica constructiva y los tamaños de partículas empleados, puede haber una densificación del enrocado. Debido a esto, el muro de gavión puede comprimirse y moverse hacia abajo respecto al suelo retenido. En este caso se desarrolla corte hacia arriba, lo cual es una dirección inversa a la que se asume en análisis convencionales de empujes de tierra. Este fenómeno también puede ocurrir por consolidación del suelo de fundación del muro de gaviones. La Figura VII-5 tomada de O’Rourke (1987), muestra un muro de gaviones donde el factor de seguridad contra el deslizamiento en un determinado plano viene dado por:
S/tgNF wφ= ( Ec. VII-1 )
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donde φw es el ángulo de fricción entre los elementos del muro. El autor muestra con un análisis sencillo, que si el relleno se mueve hacia abajo respecto al muro, resulta una fricción positiva y se aplica el diagrama de equilibrio de vectores mostrado en la Figura VII-5b. Puede verse de los valores relativos de N y S, que el factor de seguridad calculado será generalmente suficientemente grande como para asegurar estabilidad. Si el muro se mueve hacia abajo respecto al suelo retenido, resulta un valor negativo de fricción en el muro y el diagrama de vectores aplicable es el mostrado en la FiguraVII-5c. De este diagrama puede verse que los valores relativos de N y S son tales que el factor de seguridad puede ser menor de uno. Cuando esto ocurre se puede generar falla progresiva, aunque no necesariamente se llegue al colapso.
Ejemplo No. 1. Diseño de un muro de gaviones
Diseño de un muro de gaviones de h=6 m de altura, para salvar un desnivel de 5.5 m y contener un relleno compactado de las siguientes características geotécnicas:
Arena arcillosa (SC)
Angulo de fricción interna ø=32°
Cohesión c=1 Ton/m²
El talud sobre el muro estará inclinado 2:1 (ε=26° con la horizontal) y no hay sobrecargas.
Figura VII-5. (a) Sección del muro de gavión; (b) Diagrama de vectores para fricción positiva; (c) Diagrama de vectores para fricción negativa (O´Rourke, 1987).
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-8 Estructuras de contención
El gavión será vertical, escalonado internamente y será construido utilizando piedra caliza, de peso específico G=2.50.
El material de apoyo del muro tiene iguales propiedades mecánicas que las utilizadas para el relleno.
El diseño se puede realizar según los siguientes pasos:
1. Predimensionar la sección de muro a verificar (ver Figura VII-6).
Figura VII-6. Ejemplo de diseño de muro de gaviones.
β
PARAMENTO FICTICIO INCLINADO β CON LA HORIZONTAL. (SUPERFICIE DE EMPUJE)
b =1.0 m
a1=1.0 m
a1=1.00 RELLENO: φ=32º c=1.0 Ton/m g= 2.0 Ton/m
H=6 m δ=φ=32°
n
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-9 Estructuras de contención
Calcular el peso unitario de los gaviones γg, sobre la base de una porosidad típica del 30%
wg )n1(G γγ −=
γg=2.50 (1-0.30) x 1.00 = 1.75 Ton/m³
°= −
= −
β
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
KacH2KaH 2 1Ea 2 −= γ
00.10.61200.10.60.2 2 1Ea 2 ××−××=
5. Calcular las coordenadas del punto de aplicación del empuje:
m65.267cotg0.250.3cotgdBs
β
6. Calcular las componentes horizontal y vertical del empuje activo Ea:
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-10 Estructuras de contención
( ) ( ) ( ) ( )
δβ δβ
7. Determinar las coordenadas del centro de gravedad de la sección del muro
m29.1's
aibi
)ai5.0(biai
Wi
)ai5.0(Wi
Fuerzas aplicadas al sistema:
Peso del muro: ∑ ∑ === n
( ) 00.22.2 7.13
9. Verificar la estabilidad al volcamiento alrededor del punto F
Momento de volcamiento: m/mTon4.270.27.13dEhMv −=×=×=
0.20.3 4.27
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10. Verificar los esfuerzos en la fundación
Excentricidad “e” de la resultante R respecto al centro de la base
m/Ton3.43EvWN m/mTon40.27Mv m/mTon65.82Mr
−=
=
×
±=
±=
σ
2m/Ton3.22max =σ Inferior a la capacidad admisible de carga de la fundación.
2m/Ton40.2min =σ
11. Verificación de secciones intermedias
°==°=
°= −
= −
=
Empuje activo: 86.00.30.1286.00.30.2 2 12
2 1 22 ××−××=−= KacHKaHEa γ
m/Ton20.2Ea =
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Componentes del empuje:
m1.67cotgdBs =−= β
Coordenada xg=s’ del centro de gravedad del muro:
m80.0
iW
Wiai5.0
m/mTon15.96770.10.890.7Mr −=×+×=
Mv MrFsv >>===
75.7 2 00.2
m00.1H 3 1d ==
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-13 Estructuras de contención
Estabilidad al deslizamiento:
* *
φ τ Siendo N: Fuerza normal total en la sección
B: Ancho de la sección
Los parámetros ø* y c* han sido determinados empíricamente:
°−= 1025* gγφ γg: Peso unitario del gavión en Ton/m³
²)m/Ton(10)05.0Pu03.0(*c −= Pu: Peso unitario de la malla metálica en Kg/m³
La malla de 1.00 m de altura pesa 8.6 Kg/m³
En el caso que nos ocupa se tiene:
²m/Ton08.210)05.06.803.0(*c
τ
τ
La sección intermedia evaluada verifica ampliamente, como en la mayoría de los casos, dada la relativamente elevada resistencia al corte que aporta la fricción entre piedras y la resistencia de la malla
Es conveniente mencionar que es práctica común inclinar el muro hacia el relleno, unos 6º (pendiente 1(H):10(V)). Esta práctica es beneficiosa desde el punto de vista de su estabilidad e incrementa los factores de seguridad calculados para el caso de un muro vertical. En la Figura VII-7, se presentan geometrías de muros de gaviones inclinados, de diferentes alturas, los cuales cumplen con los requerimientos de diseño. Estos modelos se han calculado partiendo de un suelo compactado detrás del muro con ángulos de fricción de 25º y 30º, sin cohesión, y con los parámetros indicados en dichas tabla. Se parte de la hipótesis de que los muros están apoyados en un suelo de buena capacidad de soporte. Las tablas proporcionan el ancho correspondiente en cada sección ubicada a una profundidad h bajo la cresta del muro.
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VII.2.1.3 Aspectos constructivos Desde el punto de vista constructivo, se debe prestar especial atención a los siguientes factores:
• La malla metálica debe cumplir las especificaciones (calidad, calibre y doble torsión). De acuerdo a las especificaciones de la SEOPC, la malla debe ser de alambre galvanizado con un diámetro mínimo de 3.05 mm (calibre No. 11 de alambre de Estados Unidos). La resistencia a la tensión del alambre debe estar entre 60.000 y 85.000 psi (4200 kg/cm2 a 5975 kg/cm2). El revestimiento mínimo de zinc del alambre, deberá ser 0.8 onzas/pie cuadrado de superficie de alambre sin revestimiento, de acuerdo con la norma ASTM A-90 (22.7 gr por 0.0929 m2). La malla deberá formar aberturas hexagonales de tamaño uniforme, y la dimensión máxima lineal de la abertura
h(m) α = 6º
Ø =25º Ø =30º
δ=φ SIN SOBRECARGA
MUROS CON ESCALONES EXTERNOS, INCLINADOS α =6º CONTRA EL RELLENO POSTERIOR
SIN SOBRECARGA
2.0
1.0
7.0
6.0
5.0
4.0
Ø =30º
ε =20º
MUROS CON ESCALONES INTERNOS, INCLINADOS α =6º CONTRA EL RELLENO POSTERIOR
δ = φ c=0
Figura VII-7.Tablas para el dimensionamiento de secciones transversales de muros de gaviones.
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no deberá exceder 4 ½ pulgadas (115 mm). El área de las aberturas de la malla no deberá exceder 8 pulg2 (51.6 cm2).
• La disposición de las rocas debe ser tal que se acomoden debidamente entrabadas, evitando juntas continuas. De acuerdo a las especificaciones de la SEOPC, ninguna roca deberá ser menor de 4 pulgadas (102 mm), y no mayor de trece pulgadas (330 mm). En lo posible, las piedras de mayor tamaño deberán colocarse en los lados del gavión.
• Se requiere reforzar las aristas y colocar tirantes diagonales, tirantes horizontales y verticales. Estos últimos son generalmente especificados principalmente en los gaviones que forman la placa de fundación. En la Figura VII-8, se muestran algunos detalles constructivos de gaviones.
• Las rocas a ser usadas deben ser sometidas a pruebas de inmersión, durabilidad a la disgregación, desgaste, y a ensayos de humedecimiento y secado. Es conveniente diferenciar entre los términos “dura” y “durable”. Una lutita, por ejemplo, puede ser muy dura con adecuada
Figura VII-8. Detalles constructivos de muros de gaviones (Suárez, 1992).
(a) (b)
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resistencia a esfuerzos, pero se disgrega por procesos de humedecimiento y secado, perdiendo toda su resistencia original.
En la Figura VII-9, se muestran detalles de muros de gaviones con defectos constructivos y en la Figura VII-10, se muestran dos muros colapsados por deficiencias de diseño y de construcción.
Figura VII-9. Vista general y detalle de muros de gaviones, mostrando piedras incorrectamente entrabadas, con juntas abiertas continuas.
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La Figura VII-11, muestra detalles de un muro bien construido, con las piedras debidamente entrabadas.
Figura VII-10. Muros de gaviones colapsados por deficiencias en el diseño y defectos constructivos.
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-18 Estructuras de contención
En las áreas donde no se consiguen fácilmente rocas prismáticas de canteras de masas rocosas, para la construcción de gaviones se utilizan piedras redondeadas provenientes de depósitos aluviales, tal como puede verse en las fotos de la Figura VII-12.
Dado que la resistencia a la flexión de los muros de gaviones es provista por la malla y por el efecto de entrabamiento de rocas prismáticas, la utilización de piedras redondeadas tiene dos efectos. En primer lugar disminuye la fricción entre rocas y en segundo lugar aporta mayores solicitaciones a la malla, originando como consecuencia una disminución en la capacidad resistente a flexión del
Figura VII-11. Muro de gaviones construidos con piedras correctamente entrabadas.
Figura VII-12. Vista general y detalle de muro de gaviones construido con piedras redondeadas de origen aluvial.
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-19 Estructuras de contención
conjunto malla-piedra. En tal sentido, si por razones económicas no queda otra alternativa que utilizar piedras redondeadas, se debería prestar especial atención a la colocación de tirantes horizontales, verticales y diagonales en todas las cestas. Algunos constructores tienen la tendencia a colocar piedras de menor tamaño que la abertura de la malla, lo cual no se considera recomendable. Las fotos de la Figura VII-13 muestran esta práctica en muros construidos. La colocación de piedras de menor tamaño ha sido permitida en algunos casos, solo en la zona central del gavión y nunca en el fondo y en los extremos laterales. En ningún caso dichas piedras deberán ser menores de 10 cm.
VII.2.2 Muros Jaula (Crib walls) VI.2.2.1 Generalidades Los muros-jaula, también denominados muros criba, son muros constituidos por elementos prefabricados, generalmente de concreto armado, de muy fácil construcción aún en condiciones topográficas difíciles. Cuando son rellenados con material adecuadamente gradado, los muros jaula son además estructuras que facilitan el drenaje. El sistema es muy flexible debido a la naturaleza en forma de segmentos de los elementos que integran el muro. La Figura…
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CAPITULO VII ESTRUCTURAS DE CONTENCION
VII.1 CONSIDERACIONES GENERALES
Las estructuras de contención son necesarias en muchos caminos vecinales bien por estar concebidas en el proyecto de construcción de una nueva vía o variante de un camino existente, o para corregir y reparar fallas de taludes naturales o de corte y terraplenes que ocurran después de su construcción. Los sistemas de prevención o corrección de deslizamientos pueden agruparse en forma generalizada en cinco categorías, tal como se muestra en la tabla de la Figura VII-1.
Método Obras
Profundo: Colchones de material granular y filtros, pozos de pequeño diámetro, pozos de gran diámetro conectados con drenes horizontales (patentado por Rodio), galerías, drenes horizontales, drenes direccionales, drenes verticales desde galerías, trincheras drenantes, rebajamiento por vacío y por sifonamiento, electroosmosis, geosintéticos como elementos drenantes, drenaje mediante explosivos.
Movimiento de tierras Rectificación de pendiente, reducción de altura, bermas estabilizantes.
Obras de contención Externa: Muros y pantallas.
Interna: Suelos reforzados.
Cobertura vegetal y refuerzo con raíces, concreto proyectado, riegos asfálticos, losas de gaviones y otros productos, bolsacreto, enfaginado, mallas metálicas, barreras, pernos, cunetas y sobre-anchos para captación de rocas, etc.
Métodos varios
Endurecimiento de la masa en movimiento por tratamiento químico, congelación, etc., explosivos, uso de agregados livianos, bloques de anime, neumáticos usados, trozos de neumáticos, inclusiones de geosintéticos.
Figura VII-1. Métodos para prevención y corrección de deslizamientos
En este Capítulo se discuten principalmente las obras de contención, tanto los sistemas de estabilización externa como los de estabilización interna. Los tipos de subdrenajes más utilizados y los criterios de materiales de filtro, se tratan en el Capítulo V, Terraplenes.
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Guía Geotécnica y Ambiental Página VII-2 Estructuras de contención
La selección del método o combinaciones de métodos de estabilización para un determinado problema de movimiento de masas, depende de múltiples factores, entre los cuales se pueden citar:
• La geometría del talud.
• Las características del subsuelo.
• Las causas que originaron el movimiento de masas y el mecanismo de rotura.
• La velocidad del movimiento.
• Consecuencias del colapso.
• Tecnología y métodos disponibles. La selección y concepción de un método de estabilización también depende del nivel de deformación de la masa involucrada en un problema específico. No es el mismo caso diseñar una obra para prevenir un deslizamiento que para el caso de un deslizamiento en franco movimiento, pero que todavía no ha colapsado completamente. Asimismo, estaríamos en presencia de un caso diferente si se trata de diseñar y tomar medidas de reparación después de que el colapso total de la masa haya ocurrido. En los tres casos, los parámetros de diseño son diferentes y por lo tanto, las medidas correctivas resultarían también distintas. Otro aspecto de interés que debe ser considerado en la etapa de diseño de las obras de estabilización, es la selección del factor de seguridad. Las obras de estabilización son generalmente costosas y serán mucho más costosas aún, si se diseñan con altos factores de seguridad. En ocasiones se comete el error conservador de diseñar obras de estabilización en una ladera natural, adoptando un factor de seguridad mucho mayor que el que ella tenía antes de generarse el movimiento. Una estrategia que pudiera evitar costos iniciales innecesarios pero que puede aliviar la incertidumbre natural respecto al comportamiento definitivo de la obra de estabilización, es complementar dicha obra con sistemas de instrumentación. En estos casos, dentro de la concepción del sistema de estabilización, hay que dejar las previsiones para complementar dichas obras si los resultados de las mediciones de la instrumentación instalada así lo justifican. Existe una gran cantidad de valiosa literatura técnica relacionada con métodos de estabilización. De las publicadas en los últimos quince años que presentan una síntesis muy completa de tales métodos, vale la pena mencionar las excelentes contribuciones realizadas por Mitchell (1981), Leventhal & Mostyn (1987) y Schuster (1995), trabajos que se consideran esenciales referencias del tema a tratar.
SECRETARIA DE ESTADO DE OBRAS PUBLICAS Y COMUNICACIONES REPUBLICA DOMINICANA
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VII.2 ESTRUCTURAS DE CONTENCION
Los sistemas de contención o retención de tierras han sido clasificados por O’Rourke & Jones (1990), en sistemas de estabilización externa y sistemas de estabilización interna, tal como se indica en la la Figura VII-2. Ejemplos de estos sistemas, se muestran en la Figura VII-3.
Para fines de esta Guía se seleccionaron aquellos sistemas de estabilización de uso más frecuente y que pudieran ser eventualmente aplicables a caminos vecinales. En las fotos de la Figura VII-4 se muestran diferentes tipos de estructuras de contención. El procedimiento general de diseño de estructuras de contención, debe considerar los siguientes aspectos:
• Selección del tipo de muro a emplearse.
• Predimensionado de la sección.
• Evaluación de solicitaciones de empujes de tierra.
• Cálculo de los factores de seguridad para los distintos modos de falla externa tales como volcamiento, deslizamiento y hundimiento o falla por capacidad soporte.
• Análisis de la estabilidad global del conjunto suelo-muro.
Figura VII-2. Clasificación de sistemas de contención de tierras.
CLASIFICACION DE SISTEMAS DE CONTENCION DE TIERRAS (Modificada de O’Rourke and Jones, 1990)
SISTEMAS DE ESTABILIZACION EXTERNA
SISTEMAS DE ESTABILIZACION INTERNA
geosintéticos • Tiras y mallas
prefabricado. • Tablestacas • Suelo-cemento • Inyección a alta
presión • Columnas de
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Figura VII-3. Ejemplos de sistemas de estabilización externa e interna (O´Rourke & Jones, 1990).
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(f ) (e)
(a) (b)
(c) (d)
Figura VII-4. (a) Gavión y suelo reforzado del sistema terramesh de Maccaferri. (b) Muro- jaula o de elementos prefabricados. (c) Muro de tierra armada. (d) Muro reforzado (e) Pantalla de concreto lanzado atirantada. (f). Pantalla de pilotes, anclados en cabeza.
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A continuación se discuten aspectos relativos al diseño y construcción de los diferentes tipos de estructuras de contención de uso más frecuente.
VII.2.1 Muros de gaviones VI.2.1.1 Generalidades Los muros de gaviones son estructuras de gravedad que desarrollan su resistencia a empujes laterales por la acción de su propio peso, sin que su sección desarrolle solicitaciones internas de flexión. Esta aseveración es también válida para muros de concreto ciclópeo, o piedra cementada. Los muros de gaviones están constituidos por cestas, típicamente de 1 x 1 m en sección transversal y de 2 a 6 m de longitud, las cuales son rellenadas con rocas cuya gradación está generalmente entre 10 y 25 cm. Los gaviones se caracterizan por su flexibilidad y su alta permeabilidad, sin embargo, para evitar su colmatación por migración de finos, es conveniente el uso de geotextiles diseñados para tal fin entre el muro y el material de relleno detrás de él. Se puede decir que este tipo de muros ha sido universalmente “usado” y “abusado”. Su abuso radica en la construcción de los mismos sin diseño alguno, con materiales inadecuados, y sin cumplir las más elementales especificaciones. Como consecuencia de estas malas prácticas, han ocurrido muchas fallas que han originado el injusto cuestionamiento de los mismos.
VI.2.1.2 Criterios de diseño de muros de gaviones Los métodos de diseño han sido ampliamente publicados por fabricantes, aplicando esencialmente la teoría de Coulomb para empujes de tierra (Maccaferri, Beakert Gabions, Interandina de Gaviones, etc.). El diseño sísmico y el comportamiento de muros de gravedad, han sido detalladamente tratados por Whitman (1990). El diseño debe satisfacer condiciones de falla por volcamiento, capacidad de soporte del terreno de fundación y falla por deslizamiento. En cada junta horizontal o subhorizontal de las cestas, se deberá verificar el deslizamiento y el volcamiento de los bloques por encima de dicha junta. Asimismo, se deberá verificar que la resultante de las solicitaciones se ubique dentro del tercio central de la base de cada junta. Aunque generalmente se asume que el muro mismo es incompresible, según la técnica constructiva y los tamaños de partículas empleados, puede haber una densificación del enrocado. Debido a esto, el muro de gavión puede comprimirse y moverse hacia abajo respecto al suelo retenido. En este caso se desarrolla corte hacia arriba, lo cual es una dirección inversa a la que se asume en análisis convencionales de empujes de tierra. Este fenómeno también puede ocurrir por consolidación del suelo de fundación del muro de gaviones. La Figura VII-5 tomada de O’Rourke (1987), muestra un muro de gaviones donde el factor de seguridad contra el deslizamiento en un determinado plano viene dado por:
S/tgNF wφ= ( Ec. VII-1 )
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donde φw es el ángulo de fricción entre los elementos del muro. El autor muestra con un análisis sencillo, que si el relleno se mueve hacia abajo respecto al muro, resulta una fricción positiva y se aplica el diagrama de equilibrio de vectores mostrado en la Figura VII-5b. Puede verse de los valores relativos de N y S, que el factor de seguridad calculado será generalmente suficientemente grande como para asegurar estabilidad. Si el muro se mueve hacia abajo respecto al suelo retenido, resulta un valor negativo de fricción en el muro y el diagrama de vectores aplicable es el mostrado en la FiguraVII-5c. De este diagrama puede verse que los valores relativos de N y S son tales que el factor de seguridad puede ser menor de uno. Cuando esto ocurre se puede generar falla progresiva, aunque no necesariamente se llegue al colapso.
Ejemplo No. 1. Diseño de un muro de gaviones
Diseño de un muro de gaviones de h=6 m de altura, para salvar un desnivel de 5.5 m y contener un relleno compactado de las siguientes características geotécnicas:
Arena arcillosa (SC)
Angulo de fricción interna ø=32°
Cohesión c=1 Ton/m²
El talud sobre el muro estará inclinado 2:1 (ε=26° con la horizontal) y no hay sobrecargas.
Figura VII-5. (a) Sección del muro de gavión; (b) Diagrama de vectores para fricción positiva; (c) Diagrama de vectores para fricción negativa (O´Rourke, 1987).
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El gavión será vertical, escalonado internamente y será construido utilizando piedra caliza, de peso específico G=2.50.
El material de apoyo del muro tiene iguales propiedades mecánicas que las utilizadas para el relleno.
El diseño se puede realizar según los siguientes pasos:
1. Predimensionar la sección de muro a verificar (ver Figura VII-6).
Figura VII-6. Ejemplo de diseño de muro de gaviones.
β
PARAMENTO FICTICIO INCLINADO β CON LA HORIZONTAL. (SUPERFICIE DE EMPUJE)
b =1.0 m
a1=1.0 m
a1=1.00 RELLENO: φ=32º c=1.0 Ton/m g= 2.0 Ton/m
H=6 m δ=φ=32°
n
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Calcular el peso unitario de los gaviones γg, sobre la base de una porosidad típica del 30%
wg )n1(G γγ −=
γg=2.50 (1-0.30) x 1.00 = 1.75 Ton/m³
°= −
= −
β
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
KacH2KaH 2 1Ea 2 −= γ
00.10.61200.10.60.2 2 1Ea 2 ××−××=
5. Calcular las coordenadas del punto de aplicación del empuje:
m65.267cotg0.250.3cotgdBs
β
6. Calcular las componentes horizontal y vertical del empuje activo Ea:
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( ) ( ) ( ) ( )
δβ δβ
7. Determinar las coordenadas del centro de gravedad de la sección del muro
m29.1's
aibi
)ai5.0(biai
Wi
)ai5.0(Wi
Fuerzas aplicadas al sistema:
Peso del muro: ∑ ∑ === n
( ) 00.22.2 7.13
9. Verificar la estabilidad al volcamiento alrededor del punto F
Momento de volcamiento: m/mTon4.270.27.13dEhMv −=×=×=
0.20.3 4.27
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10. Verificar los esfuerzos en la fundación
Excentricidad “e” de la resultante R respecto al centro de la base
m/Ton3.43EvWN m/mTon40.27Mv m/mTon65.82Mr
−=
=
×
±=
±=
σ
2m/Ton3.22max =σ Inferior a la capacidad admisible de carga de la fundación.
2m/Ton40.2min =σ
11. Verificación de secciones intermedias
°==°=
°= −
= −
=
Empuje activo: 86.00.30.1286.00.30.2 2 12
2 1 22 ××−××=−= KacHKaHEa γ
m/Ton20.2Ea =
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Componentes del empuje:
m1.67cotgdBs =−= β
Coordenada xg=s’ del centro de gravedad del muro:
m80.0
iW
Wiai5.0
m/mTon15.96770.10.890.7Mr −=×+×=
Mv MrFsv >>===
75.7 2 00.2
m00.1H 3 1d ==
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Estabilidad al deslizamiento:
* *
φ τ Siendo N: Fuerza normal total en la sección
B: Ancho de la sección
Los parámetros ø* y c* han sido determinados empíricamente:
°−= 1025* gγφ γg: Peso unitario del gavión en Ton/m³
²)m/Ton(10)05.0Pu03.0(*c −= Pu: Peso unitario de la malla metálica en Kg/m³
La malla de 1.00 m de altura pesa 8.6 Kg/m³
En el caso que nos ocupa se tiene:
²m/Ton08.210)05.06.803.0(*c
τ
τ
La sección intermedia evaluada verifica ampliamente, como en la mayoría de los casos, dada la relativamente elevada resistencia al corte que aporta la fricción entre piedras y la resistencia de la malla
Es conveniente mencionar que es práctica común inclinar el muro hacia el relleno, unos 6º (pendiente 1(H):10(V)). Esta práctica es beneficiosa desde el punto de vista de su estabilidad e incrementa los factores de seguridad calculados para el caso de un muro vertical. En la Figura VII-7, se presentan geometrías de muros de gaviones inclinados, de diferentes alturas, los cuales cumplen con los requerimientos de diseño. Estos modelos se han calculado partiendo de un suelo compactado detrás del muro con ángulos de fricción de 25º y 30º, sin cohesión, y con los parámetros indicados en dichas tabla. Se parte de la hipótesis de que los muros están apoyados en un suelo de buena capacidad de soporte. Las tablas proporcionan el ancho correspondiente en cada sección ubicada a una profundidad h bajo la cresta del muro.
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VII.2.1.3 Aspectos constructivos Desde el punto de vista constructivo, se debe prestar especial atención a los siguientes factores:
• La malla metálica debe cumplir las especificaciones (calidad, calibre y doble torsión). De acuerdo a las especificaciones de la SEOPC, la malla debe ser de alambre galvanizado con un diámetro mínimo de 3.05 mm (calibre No. 11 de alambre de Estados Unidos). La resistencia a la tensión del alambre debe estar entre 60.000 y 85.000 psi (4200 kg/cm2 a 5975 kg/cm2). El revestimiento mínimo de zinc del alambre, deberá ser 0.8 onzas/pie cuadrado de superficie de alambre sin revestimiento, de acuerdo con la norma ASTM A-90 (22.7 gr por 0.0929 m2). La malla deberá formar aberturas hexagonales de tamaño uniforme, y la dimensión máxima lineal de la abertura
h(m) α = 6º
Ø =25º Ø =30º
δ=φ SIN SOBRECARGA
MUROS CON ESCALONES EXTERNOS, INCLINADOS α =6º CONTRA EL RELLENO POSTERIOR
SIN SOBRECARGA
2.0
1.0
7.0
6.0
5.0
4.0
Ø =30º
ε =20º
MUROS CON ESCALONES INTERNOS, INCLINADOS α =6º CONTRA EL RELLENO POSTERIOR
δ = φ c=0
Figura VII-7.Tablas para el dimensionamiento de secciones transversales de muros de gaviones.
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no deberá exceder 4 ½ pulgadas (115 mm). El área de las aberturas de la malla no deberá exceder 8 pulg2 (51.6 cm2).
• La disposición de las rocas debe ser tal que se acomoden debidamente entrabadas, evitando juntas continuas. De acuerdo a las especificaciones de la SEOPC, ninguna roca deberá ser menor de 4 pulgadas (102 mm), y no mayor de trece pulgadas (330 mm). En lo posible, las piedras de mayor tamaño deberán colocarse en los lados del gavión.
• Se requiere reforzar las aristas y colocar tirantes diagonales, tirantes horizontales y verticales. Estos últimos son generalmente especificados principalmente en los gaviones que forman la placa de fundación. En la Figura VII-8, se muestran algunos detalles constructivos de gaviones.
• Las rocas a ser usadas deben ser sometidas a pruebas de inmersión, durabilidad a la disgregación, desgaste, y a ensayos de humedecimiento y secado. Es conveniente diferenciar entre los términos “dura” y “durable”. Una lutita, por ejemplo, puede ser muy dura con adecuada
Figura VII-8. Detalles constructivos de muros de gaviones (Suárez, 1992).
(a) (b)
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resistencia a esfuerzos, pero se disgrega por procesos de humedecimiento y secado, perdiendo toda su resistencia original.
En la Figura VII-9, se muestran detalles de muros de gaviones con defectos constructivos y en la Figura VII-10, se muestran dos muros colapsados por deficiencias de diseño y de construcción.
Figura VII-9. Vista general y detalle de muros de gaviones, mostrando piedras incorrectamente entrabadas, con juntas abiertas continuas.
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La Figura VII-11, muestra detalles de un muro bien construido, con las piedras debidamente entrabadas.
Figura VII-10. Muros de gaviones colapsados por deficiencias en el diseño y defectos constructivos.
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En las áreas donde no se consiguen fácilmente rocas prismáticas de canteras de masas rocosas, para la construcción de gaviones se utilizan piedras redondeadas provenientes de depósitos aluviales, tal como puede verse en las fotos de la Figura VII-12.
Dado que la resistencia a la flexión de los muros de gaviones es provista por la malla y por el efecto de entrabamiento de rocas prismáticas, la utilización de piedras redondeadas tiene dos efectos. En primer lugar disminuye la fricción entre rocas y en segundo lugar aporta mayores solicitaciones a la malla, originando como consecuencia una disminución en la capacidad resistente a flexión del
Figura VII-11. Muro de gaviones construidos con piedras correctamente entrabadas.
Figura VII-12. Vista general y detalle de muro de gaviones construido con piedras redondeadas de origen aluvial.
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conjunto malla-piedra. En tal sentido, si por razones económicas no queda otra alternativa que utilizar piedras redondeadas, se debería prestar especial atención a la colocación de tirantes horizontales, verticales y diagonales en todas las cestas. Algunos constructores tienen la tendencia a colocar piedras de menor tamaño que la abertura de la malla, lo cual no se considera recomendable. Las fotos de la Figura VII-13 muestran esta práctica en muros construidos. La colocación de piedras de menor tamaño ha sido permitida en algunos casos, solo en la zona central del gavión y nunca en el fondo y en los extremos laterales. En ningún caso dichas piedras deberán ser menores de 10 cm.
VII.2.2 Muros Jaula (Crib walls) VI.2.2.1 Generalidades Los muros-jaula, también denominados muros criba, son muros constituidos por elementos prefabricados, generalmente de concreto armado, de muy fácil construcción aún en condiciones topográficas difíciles. Cuando son rellenados con material adecuadamente gradado, los muros jaula son además estructuras que facilitan el drenaje. El sistema es muy flexible debido a la naturaleza en forma de segmentos de los elementos que integran el muro. La Figura…