TESIS DOCTORAL
LOS ESTUDIOS GEOTECNICOS EN AREAS ADYACENTES A EXCAVACIONES PROFUNDAS. ESTUDIO DE CASO DE LOS DAÑOS PRODUCIDOS EN VIVIENDAS POR ANCLAJES.
AUTOR: BLANCA ROSA FLORES MARAVEL
DIRECTOR: DR. PEDRO CARRASCO MUROS
CAMBRIDGE INTERNATIONAL UNIVERSITY
MÉXICO. ENERO, 2020
PREFACIO
La presente Tesis Doctoral tiene por Título “Los estudios geotécnicos en áreas adyacentes a excavaciones profundas. Estudio de caso de los daños producidos en viviendas por anclajes en el terreno”, ha sido elaborada por Blanca Rosa Flores Maravel como parte de los requisitos para la obtención del título de Doctor en Geotecnia en el programa de doctorado de la Cambridge International University.
Los trabajos de campo en los cuales se apoyan este trabajo fueron realizados por la autora con el apoyo de la empresa Control E Ingeniería, S.A. de C.V., el sujeto de estudio es un caso real que por encontrarse en proceso de litigio aceptó que se utilizaran los datos y valores obtenidos, sin dar a conocer el domicilio exacto, únicamente el municipio y estado.
Agradecimientos
Dedico este trabajo a mi Hermano el Maestro Héctor Francisco Flores Maravel, quién además del apoyo económico siempre está ahí, conmigo, presente en cada empresa y proyecto, con sus aportes en todos los sentidos, gracias infinitas, hermano.
A mis hijos Andrea y Santiago, motores de mi existencia.
A mis padres y en especial a mi madre, Ana María Maravel Lomelí, quien dijo si a mi vida y con ello se hizo posible no solo esto, sino todo lo hasta hoy vivido.
A la Cambridge International University, por la creación de estos espacios de formación técnica y académica, sin los cuales no me habría sido posible concretar este sueño de formación. A sus maestros y directores quienes guían y evalúan mi trabajo.
Al director de este trabajo Dr. Pedro Carrasco Muros, quien de manera por demás respetuosa y entusiasta retroalimentó este proyecto, desde la propuesta del título, lo cual me llevó a considerar la validez del trabajo.
A mi empresa Control e Ingeniería, S.A. de C.V., que permitió el desarrollo no solo de los trabajos necesarios para la obtención de información, sino la experiencia durante los últimos 22 años que me permite conceptualizar y dar forma a cada uno de los capítulos que conforman este trabajo.
Resumen
El objetivo de esta tesis es presentar la necesidad de realizar estudios geotécnicos ampliados en proyectos donde se van a construir no solo edificaciones de gran altura, sino de gran profundidad, estos pueden ser sótanos, vialidades, estacionamientos o todos aquellos espacios que requieran excavaciones a gran profundidad y que como método de estabilización contemplen la inserción de anclas en los terrenos adyacentes al proyecto.
Los trabajos y resultados que dan sustento a este proyecto están basados en trabajos de exploración y pruebas de laboratorio, mediante los cuales se obtuvieron parámetros para estimar la capacidad de carga del suelo bajo la edificación dañada, así como los asentamientos, en este caso no solo los esperados, sino los que permiten verificar los movimientos o daños producidos en la construcción.
Las líneas de investigación que se derivan de esta tesis implican dar respuesta a diversas interrogantes técnicas, en las cuales necesariamente se involucran otras áreas del conocimiento, en el área de ingeniería civil serían la geotecnia, diseño estructural, construcción y procedimientos constructivos, la valuación inmobiliaria, en el área jurídica, una necesaria legislación del uso de los espacios e invasiones al subsuelo, delimitación de responsabilidades en afectaciones y respuestas legales basadas en peritajes técnicos.
Palabras clave:
Geotecnia, estudios geotécnicos, estabilizaciones y taludes, valuación inmobiliaria, conductividad hidráulica.
Abstract
The objective of this thesis is to present the need to carry out extended geotechnical studies in projects where not only high-rise buildings will be built, but also large-scale buildings, these can be basements, roads, parking lots or all those spaces that require large deep excavations and that, as a method of stabilization, contemplate the insertion of anchors in the land adjacent to the project.
The works and results that support this project are based on exploration work and laboratory tests, through which parameters were obtained to estimate the values used to determine the load capacity of the soil and settlements, in this case not only the expected, but those that allow to verify the movements or damages produced in the construction.
The research lines derived from this thesis imply to answer the questions, in any case that affects other areas of knowledge, in the area of civil engineering, geotechnics, structural design, construction and construction procedures, real estate valuation. , as well as legislation of the use of spaces and invasions to the subsoil, delimitation of policies in affectations.
Keywords:
Geotechnics, geotechnical studies, stabilizations and slopes, real estate valuation, hydraulic conductivity.
Contenido
Agradecimientos ... 3
Resumen ... 4
Abstract... 5
Introducción ... 7
1. Objetivos ... 8
1.1 Objetivo General ... 8
1.2 Contribuciones de la tesis ... 9
Capítulo 2. Estado del arte ... 10
2.1 Estabilización de excavaciones profundas ... 10
2.2 Métodos de diseño ... 13
2.3 Parámetros geotécnicos en el diseño de muros ... 14
Capítulo 3. Afectaciones en construcciones por excavaciones profundas ... 15
3.1 Caso de estudio ... 16
3.2 Trabajos de campo ... 19
3.3 Resultados de laboratorio ... 19
3.4 Perfil resultante ... 20
3.4.1 Sondeo SPT - 1 (figura 7) ... 20
3.4.2 Sondeo SPT - 2 (figura 8) ... 21
3.4.3 Sondeo SPT - 3 (figura 9) ... 22
Capítulo 4. Conclusiones y líneas de investigación ... 23
4.1 Capacidad de carga ... 30
4.2 Estimación de asentamientos ... 31
4.4 Aportaciones y líneas de investigación ... 33
Referencias ... 34
Capitulo 5. Anexos técnicos ... 35
Introducción
La elección de un trabajo de grado de acuerdo con Sierra (2007), requiere decisiones del doctorando en el área científica en la cual se va a referir el tema elegido, un tema concreto y que esta de respuesta a dos interrogantes: qué investigar y buscando qué. Se busca que el área o fenómeno a describir esté inserto en un campo de estudio concreto, se conozcan las vertientes y que en definitiva se trate de un problema científico que implica un problema, cuya solución no se obtenga de manera natural, espontánea o automática. Así mismo, que requiera un esfuerzo mental o práctico.
Con este propósito, los trabajos que se describen en los siguientes cuatro capítulos, se han definido los elementos involucrados, un sujeto de estudio cuya solución requiere una dificultad teórica y práctica en varias áreas, inicialmente los conocimientos geotécnicos suficientes para establecer y determinar las condiciones del sujeto o sujetos involucrados en el problema y a medida que se busquen soluciones, se involucran otras áreas como las buenas prácticas de construcción, la necesidad de mejorar las técnicas de estabilización hasta ahora desarrolladas, los métodos numéricos para las consideraciones de seguridad, la revisión y evaluación de los métodos actuales para emitir valores de las construcciones y la necesaria modificación o adecuación legislativa al uso del suelo y las invasiones a los terrenos contiguos.
Por ser una tesis e involucrar las áreas mencionadas, no se especifican soluciones, únicamente el planteamiento de las condiciones detectadas, el estado del arte en el tema de estabilización de muros de contención y las líneas generales que deberán aportar las investigaciones a futuro.
1. Objetivos
1.1 Objetivo General
Las excavaciones profundas como requisito para la construcción de sótanos de estacionamiento o vialidades han permitido un mayor uso del espacio, las soluciones implementadas en los últimos años se han enfocado en el desarrollo de métodos numéricos que permitan reducir los desplazamientos horizontales y con esto aportar mayor soporte estructural a los muros.
El enfoque principal de esta tesis son los anclajes utilizados como medio de retención y resistencia para los muros de contención. Aunque los diferentes autores de los métodos numéricos utilizados para el diseño de anclajes han considerado los parámetros de resistencia del suelo, el conocimiento del terreno se ha restringido al contorno de la excavación, con lo cual se ha restado importancia a los daños que se provocan en las construcciones hacia las cuales se insertan las anclas.
Por tal motivo el objetivo de esta tesis es presentar las modificaciones que sufre un terreno cuando es atravesado por múltiples elementos de anclaje, modificaciones que implican la pérdida de resistencia del suelo, incrementos en el contenido de agua, daños a la estructura, considerando en orden de importancia los siguientes contribuciones y objetivos.
• Plantear las incertidumbres no consideradas en los modelos matemáticos para el diseño de anclas.
• Presentar los valores de capacidad de carga obtenidos en un terreno que por la inserción de anclas se ha modificado la estructura del suelo.
• Contrastar los asentamientos esperados con los actuales.
• Establecer la incertidumbre del valor real de la finca al termino de los trabajos de construcción.
1.2 Contribuciones de la tesis
Este trabajo de acuerdo con los objetivos planteados contribuye en diferentes áreas, no solo de la ingeniería civil, al plantear la necesidad de considerar nuevos procesos constructivos que contemplen el entorno general donde va a construirse una obra subterránea, involucra también la necesidad de adaptar los métodos de valuación actuales, rentas y comercialización, en los cuales se involucra el estado general de la vivienda y el costo de reposición.
En el ámbito de la geotecnia, tema principal de esta tesis, se requiere el desarrollo de profesionales que puedan considerar además de los parámetros comunes de diseño, como la cohesión y compacidad, la integración de conceptos como la transitabilidad del agua a través de la masa de suelo y su comportamiento cuando es interrumpida por elementos fijos como sería los muros y en específico las anclas insertadas en el terreno.
El problema planteado también involucra la necesidad de legislar sobre el uso del suelo, que a la fecha en ningún país se tiene documentación acerca de la propiedad del subsuelo a menos que se detecten yacimientos o requerimientos para obras de orden nacional, lo que ha dejado a los muchos afectados por la construcción de obras subterráneas sin un mecanismo de defensa al declararse que no se reconoce invasión a la propiedad al no estar delimitada legalmente la propiedad del subsuelo.
Capítulo 2. Estado del arte
La estabilización de excavaciones profundas de acuerdo con Rodriguez (1985), se originó debido al descubrimiento de las propiedades de la arcilla bentonita en Fort Benton, misma que se utilizó para estabilizar las perforaciones petrolíferas por su gran longitud y la necesidad del uso de revestimientos.
El uso de pantallas como método de estabilización de excavaciones se emplean a partir de 1934, estas pantallas estaban conformadas por pilas o pilotes tangentes o secantes (Rodríguez, 1985), en 1950 en Estados Unidos de Norteamérica, se utilizó una pantalla continua en una obra de ingeniería, con el propósito de además ser impermeable, el ingeniero austriaco Veder patentó en este año el sistema, aunque también se considera pioneros al italiano Marconi y el alemán Lorenz, estas primeras pantallas continuas se construyeron con arcillas y concreto.
En la ciudad de Guadalajara y zona metropolitana, casi todos los pasos a desnivel (PIV), en las vialidades están construidos con muros pantalla a base de pilas tangentes y los pasos elevados (PSV), a base de muros mecánicamente estabilizados.
Aunque la estabilización con muros pantalla de concreto fue precedida por muros de arcilla o piedra, desde 1956 en Europa, es a principios de los 60, que el método se extiende en Estados Unidos y Canadá, y en la última década el crecimiento se ha extendido a toda América Latina.
2.1 Estabilización de excavaciones profundas
La estabilización de las excavaciones profundas, de acuerdo con Maestre citado en Rodríguez (1985), se realiza mediante los sistemas de soporte lateral los cuales son clasificados en función de la secuencia con la que se realizan las excavaciones y se consideran los siguientes tres criterios principales.
a) Estabilización después de terminada la excavación: muros de contención de tierras con concreto, piedra o algún otro material. La limitación de estos procesos es los taludes que pueden ser poco tendidos y la utilización se limita a alturas reducidas. La supresión de esfuerzos totales desplaza el suelo hacia el interior de la excavación, produciéndose una descompresión mientras no queda el muro instalado.
Se considera que este sistema provoca altos movimientos laterales totales, las excavaciones deben realizarse por tramos alternativos o bataches (Rodriguez, 1985), además de tenerse una limitación de los frentes excavados hasta que se tenga el área contenida.
b) Estabilización progresiva con la excavación. Se consideran entibaciones con codales, madera o metálicos, el inconveniente de estos sistemas es que no limitan los movimientos laterales, por lo cual se debe atender al control del acuñado o pretensado de los codales.
c) Estabilización mediante instalación previa a las excavaciones. Se consideran los tablestacados metálicos, los cuales se instalan en el terreno mediante hinca o vibradores. En este grupo o proceso se consideran los pilotes secantes, tangentes o pantallas discontinuas.
Las limitaciones de las tablestacas son la flexibilidad, estanqueidad y las vibraciones asociadas la hinca, así como las limitaciones para alcanzar la profundidad requerida por resistencia del terreno, además de la discontinuidad en el terreno.
Los muros de concreto armados, excavados in situ, por su rigidez permiten una reducción de los movimientos en comparación con las paredes flexibles, el desarrollo de este sistema constructivo ha permitido taludes verticales, muchas veces sin necesidad de drenaje, ejecuciones rápidas y costos menores que con los métodos anteriores.
La construcción de muros de concreto armado en los años recientes va precedida por el uso de anclajes, de acuerdo con Cerna (2011), el diseño actual de los anclajes se realiza por el método de equilibrio bidimensional 2-D, donde los refuerzos solo proveen resistencia cortante adicional. La interacción del suelo no se considera y la fuerza se mide en función de la resistencia que proveen los refuerzos.
2.2 Uso de anclajes
El uso de anclajes de acuerdo con Rodriguez (1985), es un sistema de arriostramiento provisional, este consiste en realizar una perforación, introducir cables de acero pretensado o varillas de acero, se tapona la perforación y se inyecta lechada para formar un bulbo en el extremo del anclaje. Mediante gatos de pretensado, se da tensión a los cables y luego se inyecta el conducto para evitar la corrosión del cable.
Esto puede hacerse de manera progresiva con la excavación avanzando como en el caso del proyecto motivo de esta tesis en secciones de 2.00 x 2.00 m.
Los anclajes se ponen fuera de servicio cuando se ha terminado la construcción de los forjados y en algunas obras, se cortan los cables, de acuerdo con las consideraciones de diseño pueden ser provisionales del tipo pasivo o activo, según se considere o exija deformación o no de la cabeza para entrar en funcionamiento, o de arriostramiento definitivo.
Los arriostramientos definitivos se protegen de la erosión y requieren un control durante toda la vida de la obra, por la pérdida de tensión a lo largo del tiempo, algunos anclajes definitivos al ubicarse en terrenos de otros propietarios, no es posible dar el mantenimiento requerido.
En algunos proyectos se combina el uso de anclajes con la construcción simultánea ascendente – descendente, considerado adecuado para grandes profundidades de excavación o donde la compacidad o consistencia del terreno puede generar movimientos del terreno exterior a la excavación. De acuerdo con
Rodríguez (1985), los reglamentos o recomendaciones para el tensado de los cables de acero de los anclajes, se dirigen hacia la longitud libre del tirante y no a la zona inyectada.
2.2 Métodos de diseño
De acuerdo con Alfonso Cerna (2011), los muros pantalla es un sistema que se inició en Europa (Alemania, Italia, Francia), a finales de la década de los años 50. Los criterios de diseño toman como base el método de estabilidad de taludes considerando el Equilibrio limite, métodos numéricos con elementos finitos aplicando las leyes de esfuerzo deformación. El autor citado realizó los estudios en suelos del tipo Gravas arenosas muy densas de la ciudad de Lima, Perú, Santiago de Chile y en suelos deformables de la localidad de Chorrillos.
En el análisis se considera la interacción suelo estructura anclaje – suelo, aspectos de modelaje tridimensional, comportamiento sísmico de pantallas ancladas mediante un análisis dinámico lineal – equivalente, así como una comparación desde el punto de vista del análisis con la metodología del soil nailing utilizado como método de soporte en excavaciones profundas. El autor presenta los ensayos in situ realizados para determinar los parámetros de resistencia para el análisis de estabilidad de pantallas ancladas y el monitoreo de estos elementos para calibrar el modelo utilizado y obtener el comportamiento real del sistema.
Rodriguez (1985) y Cerna (2011), abordan respectivamente el análisis de los sistemas de contención o estabilización a partir de los casos en España y Lima Perú, mediante pantallas y anclajes, temas relacionados con el propósito de este proyecto, las revisiones realizadas por ambos autores están enfocadas en el suelo del sitio y en específico en los parámetros de diseño como la cohesión o el ángulo de fricción.
El criterio para considerar que los elementos de soporte o refuerzo es adecuado para la excavación es el análisis del comportamiento estático de la interacción suelo-estructura, considerando en todo momento el sostenimiento de los
muros anclados con el cual se definen el número de anclajes, fuerzas en los anclajes, espesor del muro y la influencia en el factor de seguridad del sistema de soporte. Así mismo, se considera la deformación perpendicular, la estabilización del sistema, priorizando la seguridad, calidad, tiempo y costos.
2.3 Parámetros geotécnicos en el diseño de muros
De acuerdo con Cañavate (2014), en el diseño de un muro pantalla, se requiere el uso de modelos que aun con todos los conocimientos actuales se consideran imperfectos, así mismo, el autor considera que los parámetros del terreno y la estructura no siempre son completos en especial cuando se emplea el método de elementos finitos, estos parámetros conllevan incertidumbre y riesgo, tanto en la modelación como la experimentación.
En la incertidumbre de la modelación se consideran en los modelos de diseño la Hipótesis de medio continuo, simplificación en capas, simplificación geométrica, Hipótesis sobre las discontinuidades, comportamiento hidráulico entre otros parámetros, en la incertidumbre de la experimentación, se considera la variabilidad de las propiedades del suelo, representatividad de los ensayos in situ, variación del nivel freático, sin embargo todos los parámetros antes indicados están enfocados únicamente al contorno de la excavación, no a la extensión del terreno que va a modificarse por el uso de los elementos de retención en los muros (anclas).
A continuación, se presenta como capítulo principal de esta tesis, los daños presentados por el uso de anclas en un terreno donde la inserción de anclas generó daños que han dejado la vivienda en condiciones de habitabilidad cuestionable, daños estructurales y con un valor de reposición incierto.
Capítulo 3. Afectaciones en construcciones por excavaciones profundas
Los criterios de diseño, maquinaria y el uso de métodos de análisis por computadora, han facilitado la deducción del comportamiento de materiales y procedimientos constructivos, con los cuales se logran excavaciones cada vez más profundas, construcciones más altas y diseños más atrevidos en geometría, disposición y esbeltez.
Sin embargo, estas soluciones no siempre han resultado adecuadas para el entorno local, los daños a las viviendas, instalaciones y vialidades se perciben en las zonas donde se han realizado este tipo de soluciones, los daños inicialmente se perciben como grietas superficiales que, en algunos casos, como el que se presenta en este proyecto, van evolucionando hasta rebasar los valores o asentamientos normalmente admisibles que de acuerdo con Terzaghi (1947) y algunos reglamentos de construcción deberían ser del orden de los 25 mm.
Las afectaciones no se reducen a grietas estructurales, funcionales o estéticas, sino, a daños y modificación del terreno, tanto en sus propiedades geotécnicas (resistencia al esfuerzo cortante o capacidad de carga), hidráulicas al formarse zonas “huecas” por la inserción de los barrenos y lechada e impedir o modificar el tránsito del agua, y propiciar el desplazamiento o movimiento de las partículas de pequeños diámetros, principalmente cuando la zona esta conformada por suelos sin cohesión (arenas, arenas limosas, limos no plásticos, arenas gravosas, entre otras formaciones).
3.1 Caso de estudio
El crecimiento vertical de la ciudad de Guadalajara y Zapopan principales municipios del estado de Jalisco, en México, es cada vez mayor, grandes torres de departamentos con sótanos de hasta 20 m, de profundidad, se construyen al lado de viviendas habitacionales, comercios o vialidades importantes; los grupos desarrolladores en teoría cumplen con los requisitos de la dependencia que autoriza el proyecto, en muchos de los casos se cuenta con estudios geotécnicos y diseño de los muros pantalla o estabilizaciones de las paredes de la excavación; sin embargo, estos trabajos solo se realizan en el área de proyecto, sin considerar las características geotécnicas o tipo de construcción en la influencia de los elementos de estabilización.
La consecuencia de estos trabajos incompletos ha generado daños en las construcciones contiguas a la excavación, los afectados como en el caso de la zona cercana al mercado corona y mercado Mexicaltzingo, se han agrupado para entablar múltiples demandas sin que a la fecha se tenga respuesta o delimitación de los daños. De igual manera, en el trazo de la línea tres del tren ligero de la ciudad de Guadalajara, los daños en las viviendas cercanas al proyecto son cuantiosos, sin que se tenga respuesta por parte de los organismos públicos responsables.
En el caso de las afectaciones en viviendas, algunos de los propietarios optan por la contratación de un perito que pueda dictaminar la gravedad de los daños y cuantificar la reparación o reposición del bien. El caso analizado, se encuentra en la ciudad de Guadalajara, donde se está realizando la construcción de un edificio de 12 niveles superiores y tres sótanos, la profundidad de excavación de los sótanos es de 11.50 m.
Para la estabilización de las paredes de la excavación se contrató por parte del constructor a una empresa para realizar el cálculo de estabilidad tomando como referencia los trabajos de mecánica de suelos realizada para el proyecto del edificio, su propuesta consistió en anclas, construidas en filas y con longitudes que varía de
2.50 a 12.00 m, pretensados a 267 kN y 400 kN y rellenados con lechada por inyección con una presión de 3.5 kg/cm2 a 5.00 kg/cm2, la cantidad de anclas colocadas a lo largo del talud y que se insertaron en la construcción vecina se presentan en la figura siguiente.
Figura 1.- Disposición de anclas
Como se observa en la figura anterior, toda la pared que va a estabilizarse se cubrió con anclas con las características que se presentan en la figura siguiente, tomada de los planos constructivos del edificio.
Figura 2.- Diseño de las anclas utilizadas
El resultado de esta robusta estabilización para el proyecto de excavación les permitió alojar los sótanos de proyecto sin desplazamiento aparente del muro de contención, sin embargo, la edificación como puede deducirse del excesivo refuerzo resultó dañada al modificarse el total del suelo de apoyo de la cimentación e instalaciones.
Actualmente el edificio se encuentra con un avance de más del 50% de los pisos construidos y al 100% las excavaciones de los sótanos. Los daños en las dos viviendas se tradujeron en grietas, desplazamientos verticales y horizontales, una de las fincas se reconstruyó casi en su totalidad, sin embargo en la finca de estudio ubicada en uno de los límites laterales del proyecto, se presentaron múltiples grietas en sentido horizontal, vertical y diagonal en muros, desplazamientos laterales en muros y pisos, desplazamientos verticales en pisos, de hasta 35 mm, los propietarios no aceptaron la propuesta de reparación hasta no tener un dictamen de las condiciones reales de daño y contrataron un perito quien solicitó la realización de los trabajos geotécnicos en los cuales se apoya este trabajo.
La revisión geotécnica de la finca fue realizada por la empresa Control e Ingeniería, S.A. de C.V., a cargo de la autora de este trabajo; inicialmente se solicitaron dos sondeos a una profundidad de 5.00 m, por considerar el perito o director responsable de obra suficiente para emitir un dictamen; posteriormente y a petición de la autora, se aceptó modificar la profundidad de exploración al menos hasta la profundidad de excavación del último sótano del edificio, así como incrementar el número de muestreos, aceptando la realización de los trabajos de campo y laboratorio que se describen en los capítulos siguientes.
3.2 Trabajos de campo
Los trabajos de campo consistieron en tres sondeos de exploración del tipo penetración estándar (SPT), los cuales se realizaron con equipo SPT TEC 10, hasta una profundidad máxima de 12.00 m, respectivamente y se ejecutaron de acuerdo con lo indicado en la norma NMX-C-431-ONNCCE-2002.
De acuerdo con la norma de referencia, la exploración se realiza hincando un muestreador de media caña de 0.60 m, de longitud, mediante golpes continuos con una maza de 623 N, se registra el número de golpes obtenidos en secciones de 0.15 m, la suma de los avances intermedios es N60, parámetro utilizado para estimar el ángulo de fricción.
De cada uno de los sondeos y por cada avance de 0.60 m, se recuperó una muestra de suelo, las cuales después de etiquetarse se enviaron a nuestro laboratorio para realizar las pruebas necesarias para la determinación de sus propiedades físicas, clasificación y algunos otros parámetros.
La ubicación de los sondeos realizados se representa en el croquis de la figura 3 la cual forma parte de los anexos técnicos. Las pruebas y resultados de laboratorio se indican a continuación.
3.3 Resultados de laboratorio
A las muestras recuperadas por cada avance de 0.60 m, se determinó el contenido de agua y densidad de sólidos, a partir de estos valores se estimó el peso volumétrico natural reportado en los perfiles del suelo y la relación de vacíos, parámetros considerados para estimar la presión de hundimiento y asentamientos esperados.
La composición de cada uno de los estratos se realizó a partir de los resultados de las pruebas de granulometría realizadas por el método de pérdida por lavado a través de la malla No. 200, los estratos no presentaron plasticidad, por lo cual se omitieron las pruebas de Casagrande que permiten definir los parámetros de Atterberg.
Cada una de las pruebas se realizó de conforme a lo marcado en la Norma Mexicana NMX-C-416-ONNCCE-2003. La clasificación de cada uno de los estratos que conforman el perfil del suelo se realizó de acuerdo con los criterios del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S), en las figuras 4 a 7 de los anexos técnicos, se presenta el resumen de las pruebas de laboratorio, los valores y datos de cada estrato que permitieron establecer el perfil del suelo que se describe a continuación.
3.4 Perfil resultante
El perfil de cada uno de los sondeos se representa en las figuras 8 a 9 de los anexos técnicos, en las cuales se representa cada uno de los sondeos realizados, con la información de profundidad máxima de exploración, número, espesor, clasificación, contenido de agua, pesos unitarios y número de golpes de la prueba de campo y se describe a continuación. Para la realización de todos los sondeos, se retiró el adoquín o piso en el sitio por lo cual todos los niveles están referenciados al brocal del sondeo, tomado como nivel 0.00.
3.4.1 Sondeo SPT - 1 (figura 8)
De 0.00 a 0.60 m, el estrato está conformado por arena limosa color café claro con algunas gravas pumíticas no representativas; los limos no presentan plasticidad. El peso unitario es de m=1.38 t/m3, el contenido de agua es 23.90%. Se obtuvieron 4 golpes para penetrar el estrato.
El estrato de 0.60 a 4.80 m, está conformado por arena limosa color café claro con algunas gravas aisladas de hasta ½” de origen pumítico, basalto y obsidiana; los limos no presentan plasticidad. El peso unitario promedio es de
m=1.09 t/m3, el contenido de agua al inicio es de 74% y a medida que se profundiza disminuye a 31%. El número de golpes en los primeros tres avances se incrementa de 7 a 8 y en los siguientes avances disminuye de 6 a 4 golpes.
El estrato de 4.80 a 5.40 m, es arena limosa color café claro con algunas gravas aisladas de hasta 3/8” de origen pumítico, basalto y obsidiana; los limos no presentan plasticidad. El peso unitario es de m=1.17 t/m3, el contenido de agua es 35%. Se obtuvieron 5 golpes para penetrar el estrato.
De 5.40 a 12.00 m, el estrato se compone principalmente de arenas gruesas con gravas y pocos finos del tipo limos no plásticos; las gravas son de hasta 3/4” de origen pumítico, basalto y obsidiana. El peso unitario promedio es m=0.93 t/m3, el contenido de agua varía de 56 a 28%. El número de golpes para penetrar el estrato se incrementa con la profundidad de 12 a 28, con intercalaciones de lentes de suelo de compacidades menores.
3.4.2 Sondeo SPT - 2 (figura 9)
Del brocal del sondeo tomado como nivel 0.00 y hasta 0.60 m, se encuentra un estrato de arena limosa con algunas gravas de basalto y pómez de hasta ½”, los limos no presentan plasticidad. La masa volumétrica natural es de m=1.59 t/m3. El contenido de agua es 21%. Se obtuvieron 4 golpes para penetrar el estrato.
El estrato de 0.60 a 5.40 m, es arena limosa con pocas gravas de basalto, pómez y obsidiana con tamaños máximos de ½”. La masa volumétrica natural es de m=1.01 t/m3. El contenido de agua se incrementa en los primeros tres avances de 39 a 81% y disminuye hacia el final del estrato a 30%. El número de golpes para penetrar el estrato en los primeros dos avances se incrementa de 5 a 8, en los siguientes tres disminuye de 6 a 3 y en los últimos tres avances se incrementan de 5 a 8.
El estrato de 5.40 a 7.20 m, es arena limosa color café claro con algunas gravas aisladas de pómez, basalto y obsidiana de hasta ½”, los limos no presentan plasticidad. ½”. La masa volumétrica natural promedio es de m=1.16 t/m3. El contenido de agua se incrementa con la profundidad de 28 a 53%. El número de golpes para penetrar el estrato se incrementa con la profundidad de 10 a 11.
De 7.20 a 12.00 m, el estrato se compone predominantemente de arenas gruesas con gravas de obsidiana, pómez y basalto con tamaños máximos de ¾”, los limos no presentan plasticidad. La masa volumétrica natural promedio es de
m=0.92 t/m3. El contenido de agua es relativamente uniforme entre 41 y 43%. El número de golpes para penetrar el estrato en los primeros tres avances se incrementa de 15 a 25, en los siguientes dos varía de 17 a 14, en los últimos tres avances se incrementan de 16 a 26.
3.4.3 Sondeo SPT - 3 (figura 10)
Del nivel 0.00 y hasta 0.60 m, el estrato se conforma de arenas limosas con algunas gravas aisladas de hasta ½” de pómez, basalto y obsidiana, los limos no presentan plasticidad. La masa volumétrica natural es de m=1.32 t/m3. El contenido de agua es 26%. Se obtuvieron 7 golpes para penetrar el estrato.
De 0.60 a 6.60 m, se encuentra un estrato de arena limosa con gravas de pómez, basalto y obsidiana de hasta ½”; los limos no presentan plasticidad. La masa volumétrica natural promedio es de m=1.25 t/m3. El contenido de agua al inicio del estrato es de 65% y disminuye con la profundidad con variaciones de 34 a 23%.
El número de golpes para penetrar el estrato al inicio del estrato es de 8 y disminuye en los siguientes avances a 4, en los siguientes tres se incrementa de 5 a 10 y nuevamente disminuye de 9 a 6, en el último avance se obtuvieron 9 golpes para penetrar el estrato.
De 6.60 a 12.00 m, el suelo está compuesto por arena predominantemente gruesa y gravas de pómez y obsidiana de hasta ¾” y pocos limos no plásticos. La masa volumétrica natural promedio es de m=1.05 t/m3. El contenido de agua varía entre 28 y 44%. El número de golpes para penetrar el estrato se incrementa con la profundidad de 7 a 19 en los primeros 3 avances, en el siguiente avance disminuye
a 16 y en los siguientes varía entre 19 y 21, en el último avance se obtuvieron 42 golpes.
Capítulo 4. Conclusiones y líneas de investigación
De acuerdo con el objeto de los resultados de la exploración realizada, pueden analizarse los valores obtenidos en al menos dos consideraciones, capacidad de carga y asentamientos como un criterio para la determinación de las fallas en la construcción o el comportamiento ante sismos con una posible licuación de arenas, para el primer caso, se elaboraron tres tablas con la profundidad de exploración, masas volumétricas y el número de golpes corregido de acuerdo con los criterios propuestos por Gibbs y Holtz (1957).
Tabla No.1.- Ángulo de fricción SPT-1
Prof. Número
de golpes Ncorr CN m (t/m3) o= t/m3 ° '°
(m)
0 0.60 4 4 1.10 1.38 0.83 28 28
0.60 1.20 7 7 1.04 0.77 0.93 30 31
1.20 1.80 7 5 0.76 0.97 1.75 30 29
1.80 2.40 8 5 0.58 1.25 3.00 31 28
2.40 3.00 6 3 0.58 1.00 3.00 30 27
3.00 3.60 6 3 0.50 1.11 4.00 30 27
3.60 4.20 5 2 0.43 1.31 5.50 29 26
4.20 4.80 4 2 0.41 1.24 5.95 28 25
4.80 5.40 5 2 0.40 1.17 6.34 29 26
5.40 6.00 12 5 0.43 0.90 5.42 34 29
6.00 6.60 18 7 0.39 1.01 6.64 37 30
6.60 7.20 17 7 0.41 0.82 5.93 36 30
7.20 7.80 26 9 0.35 1.04 8.14 40 32
7.80 8.40 25 9 0.36 0.92 7.72 40 32
8.40 9.00 25 8 0.34 0.98 8.80 40 31
9.00 9.60 24 8 0.34 0.92 8.85 39 31
9.60 10.20 17 6 0.35 0.82 8.33 36 30
10.20 10.80 25 8 0.33 0.84 9.12 40 31
10.80 11.40 28 9 0.31 0.92 10.48 41 32
11.40 12.00 25 7 0.28 1.10 13.22 40 30
Tabla No. 2.- Ángulo de fricción SPT -2 Prof. Numero
de golpes Ncorr CN m (t/m3) o= t/m3 ° '°
(m) De campo
N
0 0.60 4 4 1.03 1.38 0.95 28 28
0.60 1.20 5 4 0.82 0.77 1.48 29 28
1.20 1.80 8 7 0.82 0.97 1.50 31 30
1.80 2.40 6 5 0.78 1.25 1.64 30 28
2.40 3.00 5 3 0.61 1.00 2.65 29 27
3.00 3.60 3 2 0.50 1.11 3.93 27 25
3.60 4.20 5 2 0.47 1.31 4.53 29 26
4.20 4.80 5 2 0.45 1.24 4.98 29 26
4.80 5.40 8 3 0.39 1.17 6.53 31 27
5.40 6.00 10 3 0.35 0.90 8.40 32 27
6.00 6.60 11 4 0.36 1.01 7.60 33 28
6.60 7.20 11 4 0.39 0.82 6.71 33 28
7.20 7.80 15 6 0.38 1.04 6.78 35 29
7.80 8.40 23 9 0.39 0.92 6.66 39 32
8.40 9.00 25 8 0.34 0.98 8.71 40 31
9.00 9.60 17 6 0.33 0.92 9.21 36 29
9.60 10.20 14 4 0.31 0.82 10.28 35 28
10.20 10.80 18 6 0.33 0.84 9.40 37 30
10.80 11.40 20 6 0.30 0.92 11.00 38 30
11.40 12.00 26 8 0.30 1.10 10.92 40 31
Tabla No. 3.- Ángulo de fricción SPT-3 Prof. Numero
de golpes Ncorr CR m (t/m3) o (t/m3) ° '°
(m)
0 0.60 7 8 1.10 1.38 0.83 30 31
0.60 1.20 8 8 1.04 0.77 0.93 31 31
1.20 1.80 4 3 0.76 0.97 1.75 28 27
1.80 2.40 4 2 0.58 1.25 3.00 28 26
2.40 3.00 5 2 0.47 1.50 4.50 29 26
3.00 3.60 6 3 0.50 1.11 4.00 30 27
3.60 4.20 8 3 0.43 1.31 5.50 31 27
4.20 4.80 10 4 0.41 1.24 5.95 32 28
4.80 5.40 9 4 0.40 1.17 6.34 32 27
5.40 6.00 6 3 0.43 0.90 5.42 30 26
6.00 6.60 9 3 0.39 1.01 6.64 32 27
6.60 7.20 7 3 0.41 0.82 5.93 30 27
7.20 7.80 19 7 0.35 1.04 8.14 37 30
7.80 8.40 19 7 0.36 0.92 7.72 37 30
8.40 9.00 16 5 0.34 0.98 8.80 36 29
9.00 9.60 17 6 0.34 0.92 8.85 36 29
9.60 10.20 20 7 0.35 0.82 8.33 38 30
10.20 10.80 19 6 0.33 0.84 9.12 37 30
10.80 11.40 21 6 0.31 0.92 10.48 38 30
11.40 12.00 42 12 0.28 1.10 13.22 45 33
Otros valores importantes detectados de la exploración y que podrían aportar información respecto a las modificaciones del terreno de soporte, son la densidad, relación de vacíos y principalmente el contenido de agua, los valores obtenidos se presentan en las tablas 4, 5, 6.
Tabla No. 4.- SPT-1
SONDEO PROF. Ss m (t/m3) e w%
SPT-1 0.00 0.60 2.06 1.38 0.49 23.90%
0.60 1.20 1.77 0.77 1.31 73.98%
1.20 1.80 1.74 0.97 0.80 46.05%
1.80 2.40 2.00 1.25 0.61 30.27%
2.40 3.00 1.78 1.00 0.79 44.24%
3.00 3.60 1.93 1.11 0.74 38.43%
3.60 4.20 2.14 1.31 0.64 29.88%
4.20 4.80 2.02 1.24 0.63 31.40%
4.80 5.40 1.98 1.17 0.69 34.97%
5.40 6.00 1.78 0.90 0.98 54.96%
6.00 6.60 1.70 1.01 0.69 40.82%
6.60 7.20 1.45 0.82 0.77 53.24%
7.20 7.80 1.71 1.04 0.64 37.56%
7.80 8.40 1.55 0.92 0.69 44.67%
8.40 9.00 1.59 0.98 0.63 39.74%
9.00 9.60 1.64 0.92 0.79 48.05%
9.60 10.20 1.32 0.82 0.62 47.04%
10.20 10.80 1.59 0.84 0.90 56.42%
10.80 11.40 1.46 0.92 0.60 40.91%
11.40 12.00 1.59 1.10 0.45 28.21%
Tabla 5. SPT-2
SONDEO PROF. Ss m (t/m3) e w%
SPT-2
0.00 0.60 2.39 1.59 0.51 21.43%
0.60 1.20 2.33 1.23 0.90 38.78%
1.20 1.80 1.87 0.83 1.27 67.80%
1.80 2.40 1.51 0.68 1.23 81.25%
2.40 3.00 1.61 0.88 0.84 51.85%
3.00 3.60 1.69 1.09 0.56 32.83%
3.60 4.20 1.80 1.08 0.68 37.50%
4.20 4.80 1.69 1.04 0.63 37.47%
4.80 5.40 1.88 1.21 0.56 29.84%
5.40 6.00 2.30 1.40 0.65 28.16%
6.00 6.60 2.00 1.15 0.74 37.06%
6.60 7.20 1.83 0.93 0.97 53.22%
7.20 7.80 1.36 0.87 0.58 42.22%
7.80 8.40 1.32 0.79 0.67 50.92%
8.40 9.00 1.62 0.97 0.68 42.08%
9.00 9.60 1.56 0.96 0.63 40.56%
9.60 10.20 1.67 1.01 0.66 39.59%
10.20 10.80 1.38 0.87 0.59 42.75%
10.80 11.40 1.54 0.96 0.60 39.01%
11.40 12.00 1.50 0.91 0.66 43.88%
Tabla No. 6. Sondeo SPT-3
SONDEO PROF. Ss m (t/m3) e w%
SPT-3
0.00 0.60 2.00 1.32 0.52 26.08%
0.60 1.20 1.90 0.85 1.24 65.26%
1.20 1.80 1.80 1.13 0.61 33.58%
1.80 2.40 1.92 1.33 0.45 23.44%
2.40 3.00 1.71 1.15 0.49 28.52%
3.00 3.60 2.16 1.35 0.61 28.08%
3.60 4.20 2.31 1.41 0.65 27.92%
4.20 4.80 1.99 1.30 0.53 26.79%
4.80 5.40 2.20 1.44 0.53 23.97%
5.40 6.00 2.39 1.27 0.90 37.45%
6.00 6.60 2.21 1.25 0.77 34.67%
6.60 7.20 1.58 0.94 0.69 43.97%
7.20 7.80 1.81 1.01 0.80 44.28%
7.80 8.40 1.79 1.03 0.74 41.46%
8.40 9.00 1.76 1.15 0.54 30.59%
9.00 9.60 1.69 1.04 0.63 37.08%
9.60 10.20 1.82 1.06 0.73 39.94%
10.20 10.80 1.61 1.04 0.55 34.21%
10.80 11.40 1.54 1.02 0.51 33.31%
11.40 12.00 1.79 1.18 0.52 28.85%
Como puede apreciarse en las tablas 4 a 6, los contenidos de agua son altos para este tipo de suelos, esta condición disminuye la masa volumétrica del suelo, en la figura siete que se presenta a continuación, se tienen los datos de “salida”
utilizados por la empresa que diseño los anclajes, y que corresponden al terreno de
proyecto, el diseño para las anclas de frontera de las actuales, difieren en todos los valores.
Tabla 7. Datos de partida para el diseño de las anclas
Con lo anterior se puede considerar que parte del problema principal causante de los daños actuales es el resultado de una deformación permanente inducida por los elementos de refuerzo (anclajes), los cuales atraviesan la masa de suelo de la construcción, modificando no solo el acomodo “natural” del suelo, sino la preconsolidación ganada a través de los años con las cargas de la estructura.
Estas modificaciones se analizan mediante la determinación de la capacidad de carga del suelo, a continuación, se presenta el análisis de la capacidad de carga de la cimentación actual para las condiciones del terreno encontradas, así como los criterios considerados para estimar los valores del ángulo de fricción y capacidad de carga, los valores se resumen en las tablas número cuatro y cinco.
4.1 Capacidad de carga
La capacidad de carga se obtuvo al aplicar a la presión de hundimiento factores de seguridad para condiciones estáticas y dinámicas; la presión de
hundimiento se estimó con la ecuación modificada por Brinch – Hansen (1970), a la fórmula general propuesta por Terzaghi, según la cual qh = ckNcdcScictc + q0kNqdqsqiqtq
+ 0.5BkNdsiten este modelo se consideran además de los factores de capacidad de carga Nc, Nq y N, factores de corrección debidos a la relación de la geometría con la profundidad, sobrecarga y masa volumétrica.
Se consideró que el suelo es predominantemente friccionante. Estimándose el ángulo a partir de las correlaciones empíricas propuestas por Hatanaka y Uchida (1996), por estar basada en la prueba de penetración estándar según la cual =
[15.4 (N1)60]0.5+20°N60 es el número de golpes de la prueba de campo a la profundidad elegida para el desplante, para este caso se consideraron las condiciones más críticas, de N60= 3.
Como se indicó previamente a la presión de hundimiento se aplicaron factores de seguridad, estos son los comúnmente utilizados para condiciones estáticas de F.S.=3.00 y para condiciones dinámicas de F.S.=2.00. Los valores de capacidad de carga se indican en la tabla de capacidad de carga siguiente.
Tabla No. 8.- Capacidad de carga
Elemento de cimentación
Prof. Desplante (m).
Geometría BxL (m)
Ángulo de fricción
(°)
Capacidad de carga estática t/m2
Capacidad de carga dinámica t/m2
Cimientos corridos (actuales)
1.00 1.00 x 3.00 27 5.16 7.74
4.2 Estimación de asentamientos
Se estimaron los asentamientos esperados en las condiciones actuales, estos se presentan en la tabla No. 2, y se obtuvieron mediante la ecuación
propuesta por Burland y Burbidge (1974) según la cual Si=fIfsqbB0.7Ic, la cual está basada en la prueba de penetración estándar.
Tabla No. 9. Asentamientos esperados
Elemento de
cimentación
Prof. de Desp.
(m)
Geometría cim. (BxL en m)
Sobrecarga Estructura+cimentación
(t/m2)
Asientos sobrecarga St
(mm)
Cimientos corridos
1.30 1.00 x 3.00
6.58 26.782
Las descargas estimadas como puede observarse en la tabla No. 5, exceden la capacidad de carga del suelo, se consideró que la aporta un peso de 7 toneladas por cada nivel, de manera analítica se obtuvo que, bajo las condiciones en el suelo, los asentamientos de acuerdo con los criterios obtenidos pueden llegar hasta 26.782 mm, los cuales coinciden en algunos muros, en otros elementos se tienen asentamientos que superan los valores estimados.
4.3 Otras consideraciones
De acuerdo con Cañavate (2014), en la modelación del comportamiento mecánico del suelo, se debe considerar que este no puede ser lineal y que la rigidez y resistencia depende de los niveles de tensión. Así mismo, a pesar del desarrollo de modelos constitutivos para simular el comportamiento del suelo, no se puede considerar que estos sean universalmente aceptados.
El conocimiento del suelo es indispensable, pero no solo del terreno de construcción, en el caso de los anclajes para muros de contención, deben considerarse no solo las condiciones de contorno, también las características de las viviendas, infraestructura circundante y los cambios que al introducir anclas se
generarán en la zona contigua; sin embargo y de acuerdo con Cañavate (2014), las consideraciones en el diseño de elementos de contención se restringe únicamente al comportamiento y auscultación de la excavación y aunque se realizan en algunos casos análisis retrospectivos, como los presentados en la Tesis doctoral del autor citado, estos resultados han aportado criterios para acotar la incertidumbre inicial de los parámetros de diseño, volviendo en teoría más eficientes los muros de contención, sin considerar el comportamiento en los terrenos o construcciones contiguas.
4.4 Aportaciones y líneas de investigación
El campo de estudio donde se inserta esta tesis es muy amplio, en primera instancia se considera el área geotécnica, los problemas generados en las construcciones vecinas requieren soluciones que no se obtienen de manera natural, espontánea ni automática, se requiere además de un esfuerzo mental por parte del perito en geotecnia para conceptualizar el problema del sujeto de estudio (construcción), a partir de los cuales se deben establecer la cantidad y tipo de trabajos prácticos que permitan establecer el comportamiento de las estructuras de la edificación y del suelo mismo.
• La línea de investigación en el campo de la geotecnia implicaría la determinación de la resistencia de los suelos después de modificados y por consecuencia, la capacidad de carga y asentamientos que podrían presentarse, además de las condiciones de drenaje del suelo, ya que al tenerse elementos que para aportar estabilidad al muro se “encamisan”
en concreto, se genera una red en la masa de suelo que modifica el tránsito del agua pluvial y natural del terreno, así como el contenido de agua de los suelos y como consecuencia la compacidad o consistencia.
• Se involucran como sujeto de estudio, el valor real de una construcción cuando el terreno de soporte ha sido modificado o afectado por excavaciones profundas y la inserción de anclajes en el terreno, las
dificultades no solo son de origen práctico, sino teórico, ya que a la fecha no se tienen suficientes documentos que presenten problemas similares y las soluciones adoptadas, aunque no se duda de su existencia, estos al no estar disponibles dejan abierta una posibilidad de estudio para una línea de investigación.
• Otro importante concepto para considerar involucra al área de ingeniería civil y en específico a los procesos constructivos, pues si bien, hasta ahora se ha logrado con éxito la estabilización, control y diseño de las pantallas de concreto como estabilización de excavaciones profundas, no se han presentado cuestionamientos a los procesos, por la falta de documentación de los casos de fallas en viviendas cercanas a estos proyectos.
En términos generales se requiere realizar investigación científica enfocada a definir y resolver las condiciones de daños existentes y prevención de estos a partir del conocimiento geotécnico ampliado no solo a las fronteras del área de proyecto, sino en un rango tan amplio como se defina la influencia de la longitud de las anclas; se considera que este tipo de investigación es viable y se requieren conocimientos especiales, como formación geotécnica, valuación inmobiliaria y procesos constructivos, además de cálculo estructural, conocimientos estadisticos e informáticos.
Referencias
Braja, D. (2012). Fundamentos de ingeniería de cimentaciones. Séptima edición.
CENGAGE Learning. México.
Cañavate, A. (2014). Metodología para la identificación de parámetros en excavaciones profundas al abrigo de muros pantalla mediante métodos espectrales estocásticos. Tesis doctoral. Universitat Politécnica de Valencia.
Cerna, A. (2011). Análisis y diseño de muros anclados para estabilización de excavaciones profundas. http://cybertesis.uni.edu.pe/handle/uni/3318.
Murthy, V.N.S. 2007. “Advanced foundation engineering”. CBS Publishers &
distributions. Bangalore.
Reddi, L. (2014). Seepage in soils. Principles and Applications. Wiley. Delhi.
Rodriguez, C. (1985). Desarrollo de un método de cálculo de pantallas de hormigón armado y estudio comparativo con medidas experimentales. Tesis Doctoral.
Universidad de Sevilla.
Rodríguez, Serra, Oteo.1995. “Curso aplicado de cimentaciones”. Sexta edición.
Graficinco. Madrid.
Sierra, R. (2007). Tesis doctorales y trabajos de Investigación Científica.
Metodología general de su elaboración y documentación. Quinta Edición. Thomson.
Madrid.
Terzaghi, K., Peck, R. (1973). Mecánica de suelos en la ingeniería práctica. 2ª.
Edición. Editorial El Ateneo S.A. Barcelona.
Capitulo 5. Anexos técnicos
Fig. 3. Localización sondeos
Fig. 4.- Resultados laboratorio SPT-1
Figura 5. Resultados de laboratorio SPT-2
Figura 6.- Resultados laboratorio SPT-2
Figura 7.- Perfil suelo SPT-1
Figura 8.- Perfil suelo SPT-2
Figura 9.- Perfil suelo SPT-3
