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Diseño geotécnico del sistema de retención para un corte permanente de 48.0 m de altura, empleando una solución mixta

Design of geotechnical system of retention for a Permanent Slope of 48.0 0 m in height, using a mixed solution

Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

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Título del trabajo

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al.

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Oscar ROMANO1, Alberto CUEVAS2

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

1Ingeniero de Proyecto, Ingenieros Cuevas Asociados SC

2 Directo Técnico, Ingenieros Cuevas Asociados SC

RESUMEN: En el presente trabajo se presenta el análisis geotécnico y diseño del sistema de retención para garantizar la estabilidad de un talud con una geometría compuesta y altura del orden de 48.0 0 m, realizado en suelos volcánicos de cementación variable ubicado al poniente de la ciudad de México. El vecino impidió invadir su predio para construir el sistema de estabilización; por ello la solución consiste en un muro de suelo-cemento en los primeros 4 4 m, en los siguientes 17 17 m se utilizaron anclas pasivas y una cubierta de concreto lanzado, en el resto de la altura, 23 23 m, anclas postensadas y una membrana de concreto lanzado. Una vez realizado el análisis del talud y el diseño del sistema de retención con métodos tradicionales, se revisó la solución con la ayuda del programa PLAXIS de elementos finitos, determinando las deformaciones estimadas.

ABSTRACT: This paper presents the geotechnical analysis to design the restraint system stabilize 48 48 m height slope, it has composite geometry and ground surface forming by varying cementing volcanic soils. The slope it is located in the west of Mexico City. The neighbor stopped invading their land for the stabilization system, that is why the solution were made by a soil-cement wall for the first 4 4 m height; the following 17 17 m height come stabilized using a passive anchors and shotcrete cover, the next 23 23 m height were stabilized with pos-tensioning anchors structure system and a shotcrete membrane. The slope analysis for the design of the restraint system was calculated with traditional methods, the solution was revised with the finite element program PLAXIS, to estimate the deformation in the soil mass.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Cancún, Qr., 14 a 16 de noviembre de 2012

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Diseño geotécnico del sistema de retención para un corte permanente de 48.0 m de altura,

empleando una solución mixta

ROMANO O. et al.

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SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

INTRODUCCIÓNCaracterísticas del proyecto

El predio con superficie de 4,052.2 2 m2 está ubicado en la Av Juan Salvador Agraz en la zona de Santa Fe, delegación Cuajimalpa de la ciudad de México. El edificio que se destinará para hotel, tendrá un nivel de sótano cuya profundidad será del orden de 4.0 m con relación al nivel de banqueta, planta baja y 15 pisos.

El sitio en cuestión cuenta con una topografía tipo lomerío con un desnivel en dirección poniente-oriente del orden de 45.0 0 m, formando un ángulo de 52º con respecto a la horizontal; por lo que demandará de grandes cortes verticales que den cabida a la estructura proyectada. Colinda al norte con un predio baldío cuya configuración topográfica es similar a la del terreno en estudio; al sur con una estructura con sótanos que alcanzan una profundidad de 14.0 0 m; al oriente con la Av Salvador Agraz y al poniente con un lote baldío.

En la zona se observan evidencias de escurrimientos de agua que han arrastrado y erosionado los suelos finos. Ello ha inducido fallas locales que se traducen en el deslizamiento de bloques de suelo. Se considera que el flujo de agua y su efecto en las unidades estratigráficas es el principal factor de inestabilidad en estos taludes.

Por cuestiones legales con el propietario del predio que colinda al norte, se condicionó a que el corte y el sistema de retención planteado se configurará y alojará en la franja de restricción, consistente en los 20.0 0 m de longitud al fondo del terreno, con el propósito de evitar la invasión del predio colindante.

En la Figura 1 se presentan las características topográficas y arquitectónicas del proyecto.

Objetivo

A partir de los resultados de la campaña de exploración geotécnica y de los ensayes de laboratorio, se definió el modelo estratigráfico y los parámetros de resistencia para realizar el análisis de estabilidad y el diseño del sistema de retención que

garantice los factores de seguridad convenientes para el corte requerido, cuya altura será del orden de 48.0 0 m, medidos a partir del nivel máximo de exavación.

Figura 1. Características del proyecto y ubicación de sondeos

CONDICIONES GEOTÉCNICAS DEL SITIO

Información geotécnica disponible

El sitio en estudio se localiza en la denominada “Zona de Lomas”, caracterizada por contar con materiales volcánicos de cementación variable, depósitos de origen glacial y aluviones; eventualmente se encuentran rellenos no compactos, utilizados para nivelar terrenos cercanos a barrancas, también es frecuente la presencia de minas generadas por el hombre para la explotación de materiales pumíticos destinados a la construcción (Ref 1Tamez et al., 1993).

Trabajos de exploración

Para definir las condiciones estratigráficas del sitio, se programó una campaña de exploración geotécnica consistente en: 2 sondeos de penetración estándar a profundidades del orden de 35.0 0 m, a partir del nivel de brocal; muestreo inalterado mediante cúbicas de los diferentes estratos detectados e el corte existente para definir sus propiedades mecánicas. Finalmente, se realizaron visitas de inspección de donde se recopiló información geológica y geotécnica necesaria para el planteamiento del modelo estratigráfico (Figura Figura 1).

Interpretación estratigráfica

A partir de los sondeos realizados, se define el modelo estratigráfico que brevemente se describe a continuación, refiriéndose al nivel de la banqueta como N±0.0 0 m (Figura Figura 2):

Relleno heterogéneo. Formado por arcilla arenosa color café y gris, con algunos boleos empacados y abundantes raíces. El espesor del estrato es de 4.0 0 m (N+44.0 a N+40.0).

Suelos redepositados (N+40.0 a N+28.0). Integrados por arcilla limosa color café, con arena fina y media cuarzosa; de consistencia rígida a muy rígida. Este estrato se encuentra muy erosionado.

Suelos volcánicos cementados (N+28.0 a N+5.0). Formados por arenas y gravas limosas, color gris, con algunos boleos empacados; el conjunto se encuentra en estado muy compacto.

Roca volcánica (N+5.0 a N-4.0). Integrada por boleos de roca andesítica color gris con manchas cafés de oxidación; la roca se encuentra muy fracturada.

Nivel freático. No se detectó el nivel de aguas freáticas; por lo que se concluye que en la zona se encuentra muy profundo.

Ensayes de laboratorio

Las muestras de suelo recuperadas durante la campaña de exploración geotécnica fueron sometidas a diferentes ensayes índice y mecánicos; los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de laboratorio.

_____________________________________________________

MuestraNivelSUCS % LL IP ccd cd

kN/m3 kN/m2 grados

__________________________________________________________

_

MC-1+43.0CL28.343.723.216.8232.0 25.0

MC-2 +38.0CL22.737.416.517.1284.0 25.6

MC-3+35.0CL20.339.317.316.4295.0 30.0

MC-4+30.0SM14.5--------18.4 29.5 42.0

MC-5+24.0SM18.1--------18.9 31.2 38.0

MC-6+20.0SM17.0--------18.1 36.0 39.0

____________________________________________________

Nomenclatura: SUCS = sistema unificado de clasificación de suelos; = contenido natural de agua; LL = límite líquido; IP = índice de plasticidad; = peso volumétrico natural; ccd = cohesión consolidada-drenada; cd= ángulo de fricción consolidada-drenada.

Figura 2. Perfil estratigráfico del sitio

ANÁLISIS Y DISEÑO GEOTÉCNICOCoeficiente sísmico

De acuerdo con el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal y sus Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo, el coeficiente sísmico recomendado es de 0.16, que corresponde a la Zona I (Ref 2NTC, 2004).

Configuración geométrica del talud

A partir de las características del proyecto, así como del modelo estratigráfico, se planteó la geometría del corte de la siguiente manera: un talud vertical de 23.0 0 m de altura, a partir del nivel máximo de la excavación que alojará el sótano (de N-4.0 a N+19.0), complementado con un talud con un ángulo de inclinación de 50º con respecto a la horizontal y altura de 21.0 0 m (N+19.0 a N+40.0); finalmente, en la parte alta se propuso retirar el relleno existente y construir un muro de contención por gravedad que confinara dicho relleno (Figura Figura 3). Los parámetros de resistencia empleados en el modelo estratigráfico se presentan en la Tabla Tabla 2

Tabla 2. Parámetros de resistencia.

_____________________________________________________

Estrato ccu cu

kN/m3 kN/m2 grados

___

_____________________________________________________

Relleno 13.7 9.8 15.0

Suelo redepositado 16.7 49.0 20.0 Suelo volcánico 18.129.4 40.0 Roca volcánica 19.668.6 42.0 ____________________________________________________

NOTA: Los parámetros de resistencia en el estrato de suelo redepositado corresponden con un incremento en el grado de saturación del material para modelar la condición más crítica.

Estabilidad del talud sin refuerzo

Una vez definida la geometría del talud se procedió a realizar el análisis de las condiciones de seguridad, para ello se utilizó el método de la cuña para superficies de falla plana. El análisis iterativo para diferentes ángulos de inclinación del sistema de falla condujo a obtener los el factor de seguridad mínimo. La expresión empleada es la siguiente (Ref 3Berry, 1993):

(1)

donde: FS = factor de seguridad; ci = cohesión media del suelo en la base de la dovela i, kN/m2; i = ángulo de fricción del suelo en la base de la dovela i; bi = ancho de la dovela i, m; Wi = peso de la dovela i incluyendo la sobrecarga en la superficie, kN; F =fuerza sísmica, kN; = ángulo de la dovela con respecto a la horizontal, grados.

Al sustituir los valores correspondientes se obtuvieron los factores de seguridad para las diferentes superficies de falla analizados (Figura Figura 3, Tabla Tabla 3).

Figura 3. Modelo geométrico y análisis de estabilidad

Tabla 3. Factores de seguridad

_______________________________________________________

FS

GradosEstático Sísmico

________________________________________________________

45.0 1.05 0.96

50.0 0.94 0.86

55.0 0.85 0.77

60.0 0.77 0.73

65.0 0.80 0.74

________________________________________________________

Nomenclatura: =ángulo de inclinación de la superficie de falla con respecto a la horizontal; FS=factor de seguridad.

A partir de los resultados obtenidos se concluye que es necesaria la implementación de un sistema de retención que garantice las condiciones de seguridad del corte y la estructura en su conjunto.

Sistema de retención

Con base en las características del proyecto, pero sobre todo a las limitaciones, se propone una solución de tipo mixto consistente en: a) muro de retención por gravedad para confinar el estrato de relleno; b) 4 líneas de clavos de anclaje (anclas pasivas) como refuerzo del estrato conformado por suelos redepositados; y c) 15 líneas de anclas postensadas. Con el propósito de tener un mayor desarrollo, las anclas pasivas y postensadas tendrán una inclinación descendente de 20º con respecto a la horizontal. La solución planteada se exhibe en la Figura Figura 4.

Estabilidad global del talud con refuerzo

Con la implementación del sistema de refuerzo se evaluaron los factores de seguridad empleando la expresión siguiente (Ref 3Berry, 1993). Conviene aclarar que para el análisis se consideró la contribución de las anclas a partir de la 4ª línea; por lo que las 3 primeras líneas, así como los clavos de anclaje se implementaron como refuerzo del estrato de suelos redepositados, que servirá como suelo de sustentación del muro de contención. La expresión utilizada es (Ref 3Berry, 1993):

(2)

donde: FA = fuerza de anclaje, kN; = ángulo de inclinación de las anclas, con respecto a la horizontal, 20º. Las demás literales ya fueron definidas

Determinación del patrón de anclaje

Fuerza de anclaje. La fuerza de anclaje total para garantizar los factores de seguridad vale 7,497 497 kN.

Patrón de anclaje. Con la fuerza total de anclaje, con el número de niveles de anclaje y con la separación horizontal de las anclas, se establece la fuerza de anclaje unitaria.

Capacidad de las anclas postensadas. La capacidad friccionante de las anclas se determinó con la siguiente ecuación (Ref 4Ovando, 2002):

(3)

donde: D=diámetro de las anclas, 15 15 cm; l=longitud activa del ancla, m; P=presión de inyección, 687 687 kN/m2; FS=factor de seguridad, 1.5.

Sustituyendo los valores correspondientes se obtienen capacidades de 1,088, 1,362 y 1,632 632 kN para anclas con bulbos de 6.0, 7.5 y 9.0 0 m, respectivamente.

Como resultado de este análisis se obtuvo que con la implementación del sistema de anclaje se incrementa el factor de seguridad del conjunto, que resultó de 2.3 y 2.1 en condiciones estáticas y accidentales (Figura 4); con este diseño prácticamente se alcanza la condición en reposo k0 para desplazamientos horizontales nulos.

Características de las anclas postensadas

Tienen un diámetro de 15 15 cm y una inclinación descendente de 20º con respecto a la horizontal; se perforaron con equipo neumático, después de limpiada la perforación se instalaron los torones de refuerzo provistos de centradores para garantizar el recubrimiento necesario; el diámetro del torón fue de de 1.27 27 cm (0.5”). Sus características se exhiben en la Tabla 4 y en la Figura 4.

Lechada de inyección. El espacio anular entre la perforación y el acero de refuerzo se rellenó con una lechada de cemento-agua dosificada en peso según la relación 2:1, con una resistencia de 14.7 7 MN/m2, que se inyecta a una presión de 687 687 kN/m2. Para la lechada se utilizó un acelerante de fraguado y un estabilizador de volumen.

Postensado. Se realizó 4 días posteriores a la inyección, certificando que hubiera alcanzado la resistencia de diseño. El postensado se especifica en las Tabla Tabla 4.

Zapata de reacción. La zapata de reacción para recibir las anclas postensadas, se construyó en la cubierta de concreto lanzado, con el armado y las dimensiones que se precisan en la Figura 4.

Concreto lanzado. Las anclas se complementaron con una cubierta de concreto lanzado que además de evitar el intemperismo del suelo, forma una membrana trabajando a compresión que confina la masa de suelo. Esta cubierta tiene 10 cm de espesor y una resistencia de 19.6 6 MN/m2. Ella se reforzó con doble malla electrosoldada 6x6-6x6, que se sujetó al terreno con trozos de 50 50 cm de varilla del No 4 distribuidas en una retícula de 1.5x1.5 5 m.

Características de las anclas pasivas y muro de contención

Anclas pasivas. Formadas por tramos de varilla corrugada del Nº 12 dispuestas a cada 1.5 5 m en ambos sentidos; su longitud fue variable debido a las limitaciones del proyecto (Figura 5), se colocaron dentro de la perforación previa de 15 15 cm de diámetro y se inyectaron de la misma manera que las anclas postensadas.

Muro de contención. Se construyó con mortero fluido con resistencia f’c=4.90 90 MN/m2. La geometría se exhibe en la Figura 5.

Figura 4. Características del sistema de retención

Sistema de drenaje

Con el propósito de evitar presiones hidrostáticas por la infiltración de agua en la masa de suelo, se implementó un sistema de drenaje consistente en 2 líneas de drenes horizontales dispuestos a cada 3.0 m de separación (Figura Figura 4). Estos drenes consistieron en tubería de PVC de 3” de diámetro ranurada y forrada con geotextil plástico; se colocaron en una perforación de 10 10 cm de diámetro con inclinación ascendente de 10º con relación a la horizontal.

El muro de retención tiene una cuneta en la corona y una línea de drenes horizontales, así como un dren vertical en su respaldo formado por material granular (Figura Figura 4).

Tabla 4. Características de las anclas

_______________________________________________________

LíneaNivel Longitud, mNº ToronesPostensado

m PasivaBulboTotal0.6”kN

________________________________________________________

137.0------ 9.06.0 784.0

234.5 11.56.0 784.0

332.014.06.0 784.0

429.5 10.0 6.0 16.08.0 1,087.0

527.0 11.0 7.5 18.59.0 1,362.0

624.5 11.5 9.0 20.511.0 1,632.0

722.0 11.0 9.0 20.011.0 1,632.0

819.5 11.0 9.0 20.011.0 1,632.0

917.0 8.5 9.0 17.511.0 1,632.0

1014.5 7.5 9.0 16.511.0 1,632.0

1112.0 6.0 9.0 15.011.0 1,632.0

12 9.5 5.0 9.0 14.011.0 1,632.0

13 7.0 3.5 9.0 12.511.0 1,632.0

14 4.5 2.0 9.0 11.011.0 1,632.0

15 2.0 1.0 9.0 10.011.0 1,632.0

________________________________________________________

Nota: El nivel donde se ubican las anclas es a partir del nivel máximo de excavación

ESTIMACIÓN DE DEFORMACIONES

Una vez concluidos los análisis de estabilidad correspondientes, se estimaron las deformaciones que se presentarán en la masa de suelo por la pérdida del confinamiento que genera la excavación; para ello se utilizó un programa de elemento finito (PLAXIS V8), con el que se modelo la geometría del talud y el sistema de retención implementado (solución mixta). Los resultados obtenidos se presentan en la Figura Figura 5.

Los valores de deformación horizontal máximos estimados son de 1.55 55 cm; por otro lado, los medidos en el sitio en un inclinómetro son ligeramente menores.

PROCESO CONSTRUCTIVO

Las Figura Figuras 6 y 7 corresponden con un pequeño informe fotográfico donde se observa el historial de la implementación del sistema de retención antes descrito.

Figura 5. Deformaciones horizontales estimadas

a) Condiciones iniciales

b) Excavación para desplante de muro

c) Construcción del muro de retención y anclas pasivas

Figura 6. Etapas constructivas

d) Anclas postensadas

e) Anclas postensadas en el estrato de roca

f) Panorámica del corte reforzado

Figura 67. Etapas constructivas

CONCLUSIONES

Debido a las limitaciones del proyecto, se implementó una solución mixta para la estabilización del corte proyectado.

Los análisis de estabilidad global para el corte reforzado, se realizaron despreciando la contribución de las 4 líneas de anclas pasivas, así como las primeras 3 líneas de anclas postensadas; sin embargo, estas se colocaron como refuerzo del estrato de suelos redepositados que son muy susceptibles a la erosión y que han generado algunas fallas locales en predios vecinos.

Durante la excavación e implementación del anclaje, se observó que el estrato conformado por roca volcánica muy fracturada, cuenta con un patrón de fisuramiento cuya orientación es opuesta al plano de deslizamiento; lo que incrementa el factor de seguridad general del corte.

Las deformaciones horizontales estimadas mediante elementos finitos son del orden de 1.55 55 cm, que resultaron ligeramente mayores que las medidas en un inclinómetro; por lo que se confirma que el diseño corresponde a la condición en reposo.

REFERENCIAS

1. Tamez, E. et al. (1987). “Manual de diseño geotécnico I”, COVITUR.

2.Normas Técnicas Complementarias (2004). “Normas técnicas complementarias para diseño por sismo”, Reglamento de construcciones para el Distrito Federal.

3. Berry, P. (1993). “Mecánica de Suelos”, Mc Graw Hill.

4.Ovando, E. (2002). “Manual de CostrucciónConstrucción Geotécnica” Vol I1, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos AC.

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