Mecánica del suelo. Tema 16

Estructura de contención de tierras. Muros de gravedad. Tierra armada. Comprobación del muro

  • Enviado por: Mario
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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  • INTRODUCCIÓN.

  • Las estructuras de contención de tierras se pueden clasificar en dos grandes grupos:

    • Muros. Se ejecutan al aire y no en el interior del terreno. A su vez, este grupo se clasifica en tres subgrupos:

    • Muros de sostenimiento. Cuando se construyen separados del terreno natural y luego se rellenan de tierra.

    • Muros de contención. Cuando se construyen para contener tierras que se caerían, en un plazo más o menos largo, si se dejaran sin apoyo.

    • Muros de revestimiento. Cuando su misión es, esencialmente, proteger el terreno de la erosión y de la meteorización.

    • Pantallas. Se ejecutan en el interior del terreno.

    Otra importante clasificación se basa en la forma de contrarrestar los esfuerzos que el terreno ejerce sobre ellas. Los hay de gravedad, en los que el efecto estabilizador viene de su propio peso, y los hay aligerados que llevan disposiciones que les permiten aprovechar el peso de las mismas tierras como efecto estabilizador.

    Los muros se clasifican también por el material de que están constituido: hay muros de piedra en seco o piedra plegada, de mampostería, de ladrillo y de hormigón en masa. Todos ellos suelen ser de gravedad, pues es su peso la causa principal de su resistencia al momento volcador producido por el empuje de la tierra. Los hay también de hormigón armado generalmente en L, a veces con zarpa exterior; otras con contrafuertes interiores y, menos frecuentemente, exteriores. Estos muros en L son el caso más típico de muro aligerado.

  • MUROS DE GRAVEDAD.

  • Es el más antiguo. El intradós en talud mejora la estabilidad y, en muchas ocasiones, el efecto estético. Hay que tener en cuenta que muchos muros se mueven ligeramente para desarrollar la condición de empuje activo. Si el intradós es rigurosamente vertical, producirá entonces un efecto muy desagradable de inestabilidad. Una inclinación excesiva tampoco es, en general, conveniente. Un muro suele tener como misión ganar espacio llano, bien a partir de su pie o de su coronación, con relación al que quedaría disponible con un talud libre. Un intradós muy inclinado consume espacio. Otro inconveniente es que el agua del goterón mancha el paramento, que es precisamente lo que el goterón pretende evitar.

    El muro en desplome mejora la estabilidad todavía más que la inclinación del intradós. Los muros en desplome son difíciles de construir, por lo que su construcción sólo se justifica en muros importantes por su altura (> 10 m) o por su longitud, la cual permitirá amortizar un encofrado complicado y costoso.

    Existe un procedimiento aproximado para transformar una sección de muro en otra que, desde el punto de vista de su estabilidad, sea equivalente. Es la regla de Boix, ideada por el ilustre ingeniero de ese nombre.

  • MUROS DE SEMIGRAVEDAD.

  • Para muros de cierta altura y con un buen terreno, tanto en el trasdós como en la cimentación, estos muros, que van ligeramente armados, ofrecen ventajas económicas sobre los de gravedad.

  • MUROS CON CONTRAFUERTES EN EL INTRADÓS.

  • Se trata de aligerar el muro de gravedad, suprimiendo hormigón en las zonas que, por estar más próximas al pie, colaboran poco al efecto estabilizador.

    Un paso más es abovedar el muro, lo cual permite distanciar los contrafuertes, que han de ser especiales (verdaderos estribos) en las bóvedas extremas. Este tipo de muro necesita una cimentación excelente para los contrafuertes. Hoy se emplea poco.

  • MUROS CON CONTRAFUERTES EN EL TRASDÓS.

  • En general, este tipo de muros, en fábricas sin armar, tiene poco interés, ya que aligera de fábrica en el sitio en que contribuye mejor a la estabilidad.

  • MUROS ARRIOSTRADOS Y ANCLADOS.

  • Los muros de sótano suelen estar apuntalados o arriostrados entre sí por los forjados. Otro tanto ocurre en los de algunos pasos inferiores. En ocasiones, se añaden además vigas transversales destinadas específicamente a este apuntalamiento.

    Estos muros no tienen problemas de estabilidad al vuelco, y los momentos máximos son menores. También son más pequeñas las tensiones máximas sobre el terreno.

  • LA TIERRA ARMADA.

  • La idea de la tierra armada, concebida por el arquitecto e ingeniero Henry Vidal y sujeta a su patente, consiste en reforzar un terraplén con materiales manufacturados, generalmente bandas de acero galvanizado, a veces ranuradas para aumentar el rozamiento. Se han empleado también el acero inoxidable y el aluminio.

    En casos normales la tierra debe tener menos de un 15% inferior a 80μ. El suelo no debe tener más de un 25% de tamaños comprendidos entre el 15 y 35 cm (esta última dimensión es un máximo).

  • RELLENO DE MUROS.

  • Los suelos de grano fino pueden dar grandes empujes, principalmente por las variaciones estacionales de volumen con el grado de humedad. En la estación seca la cuña de empuje retrae y desciende un poco. Al aumentar de volumen con las lluvias empuja y desplaza ligeramente el muro, proceso que se repite año tras año. Si se deja la superficie la superficie sin proteger pueden abrirse grietas por las que penetrará la lluvia, produciendo presiones hidrostáticas muy superiores a las de las tierras. Esto hace que, dentro de los muros que hayan experimentado movimientos progresivos hacia adelante, haya tres veces más con relleno arcilloso que con relleno arenoso. Por ello, muy rara vez es una verdadera economía el trasdosar un muro con material arcilloso.

    Lo ideal es un suelo granular con menos de un 5% de limo o arcilla. Si este material resulta muy caro puede rellenarse sólo lo que queda por encima de una línea a 60º con la horizontal o algo más.

    Es frecuente compactar el relleno para evitar asientos. Sin embargo, en muros con poca deformación lateral la compactación puede aumentar los empujes, sobre todo si son de poca altura, por lo cual dicho relleno no se compacta cuando no es imprescindible.

  • DRENAJE.

  • Si se acumula el agua detrás del muro, los empujes pueden llegar a multiplicarse por tres. Por este motivo, con excepción de los muros de sótano en que ello no suele ser posible, es conveniente construir un sistema de drenaje adecuado.

    El sistema de drenaje más sencillo se constituye con mechinales, que consisten normalmente en caños de 10 cm como mínimo de diámetro empotrados en el muro o también agujeros rectangulares de 5x10 o 5x20 cm que se dejan en el muro colocando un taco de madera al construir éste. La distancia horizontal entre columnas de mechinales depende de las precauciones tomadas para dirigir el agua de infiltración hacia ellos. El método más económico, aunque también el menos efectivo, consiste en volcar unos 30 dm3 de piedra partida o grava en la boca interior de cada mechinal. Cuando se utiliza este método, la distancia horizontal no debe exceder 1.5 m. Si se coloca un dren continuo de grava (espesor mínimo 20 - 30 cm) o de hormigón sin finos, que cubra todo el trasdós, la distancia horizontal puede aumentarse a 3m.

    Si no se dispone una cuneta en el pie del muro, el agua que sale de los mechinales se infiltra en el terreno donde el suelo se debiera conservarse lo más seco posible. Además, en ciertos casos puede mancharse el alzado del muro. Todo esto puede no tener importancia en ciertos casos y terrenos, pero sí en otros. Puede evitarse sustituyendo cada fila horizontal de mechinales por un dren interno longitudinal paralelo al paramento, con pendiente del 1 al 2%, y que se extiende por toda la longitud del muro para desaguar en un punto bajo adecuado. Si la tubería es de hormigón sin finos el filtro que ha de rodear a dicha tubería es simplemente arena limpia: se coloca la tubería sobre una cama de arena ligeramente compactada y de espesor mínimo 5 cm y debe quedar rodeada en el resto de su superficie por 10 cm de arena como mínimo.

    En muros muy altos o con rellenos poco permeables pueden también disponerse una sola tubería longitudinal en el fondo y una serie de tubos porosos verticales (con su boca superior taponada) separados de 5 a 6 m y conectados a la tubería del fondo. Si el muro es de gran longitud conviene disponer pozos de limpieza de drenes a intervalos adecuados.

    Para evitar que los suelos de permeabilidad media lleguen a saturarse durante las épocas de lluvia, es conveniente cubrir su superficie con una capa de suelo de permeabilidad muy inferior a la del relleno, a la que se da pendiente hacia una cuneta convenientemente colocada.

    El coste del drenaje es muy pequeño con relación al coste total y, en cambio, su importancia es primordial para la seguridad del muro.

  • COMPROBACIÓN DEL MURO.

  • Tipo de empuje a considerar.

    • Empuje activo.

    • Muros con cimentación superficial sobre suelo.

    • Muros en L cimentados sobre pilotes verticales.

    • Empujes en general superiores al activo (K0>K>Ka).

    • Muros en L sobre roca. Se puede emplear el empuje activo cuando el muro es suficientemente flexible; en caso contrario, se empleará el empuje en reposo.

    • Cualquier muro sobre pilotes flotantes, o cualquier muro, excepto en L, sobre pilotes verticales.

    • Empuje en reposo.

    • Muros de gravedad sobre roca o sobre pilotes inclinados o verticales.

    • Empuje pasivo.

    • Cuando la profundidad es pequeña el empuje pasivo es despreciable. Ahora bien, cuando la profundidad sea mayor se ha de considerar el empuje pasivo reducido:

  • Comprobaciones a efectuar.

  • Coeficiente de seguridad al vuelco.

  • Es la razón de todos los momentos estabilizadores, respecto al pie del muro, a los momentos volcadores.

    Este coeficiente de seguridad no debe ser inferior a 2 para los estados permanentes, ni inferior a 1.5 para los estados transitorios (durante la construcción, o también con combinaciones de fuerzas muy poco probables).

  • Coeficiente de seguridad al deslizamiento por la base del muro.

  • Es la razón entre la resistencia al corte del contacto entre base y terreno y fuerza tangencial T, en dicha base:

    Los coeficientes de rozamiento medidos en materiales incoherentes de medios a densos y para presiones normales inferiores a 600 kN/m2 han oscilado entre 0.4 y 0.97. sin embargo, en suelos incoherentes flojos, para tensiones de 500 kN/m2, se han llegado a medir valores tan bajos como 0.09. por ello, lo mejor en este último caso es compactar la cimentación.

    Si el muro descansa sobre arcilla pueden requerirse precauciones especiales. Inmediatamente antes de hormigonar la base conviene retirar unos 10 cm de todo el área a hormigonar y reemplazarlos por 10 cm bien compactados de arena o arena y grava. El coeficiente de rozamiento entre arena y suelo coherente puede ser 0.35.

    La condición de seguridad al deslizamiento suele ser la más restrictiva para los muros no muy altos. Si el coeficiente al deslizamiento es inferior a 1.5 se puede proceder a inclinar la base del muro, a colocar un tacón, etc.

  • Comprobación de paso de la resultante por el núcleo central.

  • La distribución de presiones bajo un cimiento rígido es el resultado de fenómenos complicados. En general se acepta la hipótesis de que hay una proporcionalidad entre el asiento y la presión entre la base y el terreno. Siendo el muro prácticamente rígido, la ley de presiones será como en la figura, y se está en un caso análogo al de deformación plana de una pieza elástica. Así pues, si el núcleo central es tal que la resultante pasa por él, toda la base se hallaría en compresión.

    La presión mínima se producirá cuando e = B/6. La resultante estará dentro del núcleo central si e = B/3. En el caso de que e ≥ B/6 y la cimentación es suficientemente resistente hay autores que consideran que el muro se puede considerar como estable. Sin embargo, la reserva de estabilidad es escasa.

    Si se considera un muro rectangular, sin sobrecargas y con relleno granular tal que:

  • Coeficiente de seguridad respecto a la fluencia del terreno de cimiento.

  • Estabilidad general del conjunto.

  • La construcción de muros sobre terrenos arcillosos ha dado lugar con frecuencia a deslizamientos profundos, así como que la ladera, inestable en su conjunto, se mueva ignorando la construcción de la obra de sostenimiento.

  • Resistencia estructural.

  • Un muro de gravedad se supone que tiene problemas de resistencia estructural, ya que las tensiones que en él se producen son del orden de las admisibles en el terreno. Sin embargo, esto no es del todo cierto, y de cuando en cuando se ven muros con grietas horizontales, que alguna vez terminan en rotura, con vuelco, o más frecuentemente, deslizamiento de la parte superior. Esto se debe a que se proyectan muros con fábricas de escasa calidad y se ejecutan con descuido.

    Un punto peligroso, si no hay armadura, es la zarpa, que habrá de ser dimensionada generosamente y construida con cuidado. Para el cálculo de la zarpa hay que tener en cuenta que está sometida a las siguientes fuerzas:

    • Peso propio, W.

    • Peso de las tierras que inciden sobre ella, Wt.

    • Reacción vertical del terreno, Fv.

    • Empuje pasivo sobre su cara exterior, Ep (casi despreciable).

    • Reacción horizontal del terreno, FH.

    En el caso de terrenos granulares se cumple que:

    FH = Fv · tg β

    Siendo β el ángulo de inclinación de la resultante respecto a la normal a la base.

    En terreno coherente será más prudente suponer que la componente H de la resultante se distribuye uniformemente en toda el área de la base.

  • Datos previos para el proyecto.

  • En muros de gravedad, la anchura en coronación debe ser como mínimo de unos 0.3 m. En muros de más de 10 m deberá ser más ancha. Si el trasdós es vertical y la superficie del terreno horizontal, la anchura de la base necesaria para asegurar la estabilidad al vuelco de un muro trapecial puede oscilar entre el 25 y el 40% de la altura, según la calidad del relleno y las condiciones del drenaje. Si las sobrecargas son importantes o la superficie del terreno inclinada, esta anchura puede aumentar hasta el 50%. La sección que precisa un muro en talud no difiere mucho de la del muro rectangular. Un muro en desplome, en cambio, puede necesitar un volumen de fábrica bastante superior.

    Todas estas indicaciones suponen que no existe problema de cimentación. Si ésta es de mala calidad, se supone que se colocará una zarpa o incluso pilotes.

  • MUROS CON CONTRAFUERTES.

  • Los muros de hormigón armado pueden ser en L, o con contrafuertes en el trasdós (figura 12.43) como modelos básicos. En ambos casos se recomienda que se dispongan juntas de dilatación cada 30 m como máximo, así como juntas de contracción con armaduras pasantes cada 8 o 10 m.

    Las juntas pueden coincidir con los contrafuertes (haciendo estos dobles) que es la mejor solución, pero la más costosa. En todo caso, debe reservarse para las juntas de dilatación. Las de contracción pueden disponerse en los vanos entre los contrafuertes (figura 12.44). En este caso, los vanos en donde se colocan las juntas deben ser iguales al 80% de los vanos en que no exista esa junta, con lo cual puede admitirse, sin especial comprobación, que la pantalla y zapata de esos vanos estará en buenas condiciones de resistencia, si lo están las de los vanos normales.

  • Esfuerzos a tener en cuenta para el cálculo estructural.

  • El muro en L, tenga o no contrafuertes, presenta caracteres peculiares, tanto para la estimación del empuje como para su cálculo estructural. En estos casos, la resistencia estructural es decisiva, al tiempo que las acciones de las tierras son poco definidas.

    En los muros sin contrafuertes se suele seguir la regla de considerar en la pantalla el empuje de Rankine. Sobre la zapata actúa el peso de las tierras que tiene encima, sin ninguna consideración de rozamiento lateral y además una fuerza, que suele resultar de tracción, diferencia entre la componente tangencial de la tensión sobre el cimiento y el empuje sobre el extremo de la zapata. Para este empuje se toma el empuje activo.

    En el caso de un muro con contrafuertes es más complicado y se comprueba que el empuje de tierras sobre la pantalla no sigue una ley triangular, debido a las restricciones que opone a su movimiento el empotramiento en la zapata de los contrafuertes. Su cálculo se hace suponiendo que la flexión principal es en sentido horizontal, como viga continua apoyada en los contrafuertes, pero se hace el cálculo por duplicado. Para hallar los momentos en el centro del vano, se supone que el empuje sobre la pantalla sigue la ley de la figura 12.46-a. En cambio, cuando se trata de calcular los momentos en los apoyos, se toma el esquema de empujes de la figura 12.46-b.

  • Dimensionado de un muro en L por el método de Hairsine.

  • El método de Hairsine permite, con la ayuda de un nomograma (figura 12.48), un dimensionamiento inmediato en la mayor parte de los casos.

    Se parte de un muro en L con zarpa delantera. Se definen los índices m y b. Se desprecia el peso propio del muro, que en el caso de hormigón armado tiene poca influencia.

    • Resistencia al vuelco. Tomando momentos respecto a 0 y llamando Fv al coeficiente de seguridad respecto al vuelco, se tiene:

    • Presiones sobre el terreno. Suponiendo una distribución lineal de presiones sobre el terreno y tomando momento respecto al punto medio se obtiene:

    → Distribución triangular.

    → Distribución trapezoidal.

    → Distribución triangular parcial.

    • Resistencia al deslizamiento. Si se prescinde de la adhesión, haciendo μ = tg δ y llamando Fd al coeficiente de seguridad al deslizamiento, para este caso se puede tomar δ prácticamente igual, se tiene:

    Tema 16: ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN DE TIERRAS

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    MECÁNICA DEL SUELO