Muros En La Ingenieria 3b5ia

JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO

MUROS EN INGENIERÍA Los muros son estructuras de ingeniería muy antiguas, que se utilizan para contener el terreno, ganar espacio en taludes o crear niveles en el desarrollo de terrenos con pendiente. Modernamente se ha establecido una diferencia entre los muros, hoy en día se habla de muros de gravedad, muros de concreto armado, muros de tierra armada y muros de gaviones armados. Los muros de gravedad, filosóficamente trabajan aprovechando el peso de su estructura, como se muestra en la figura No. 1 Figura No. 1 MURO DE GRAVEDAD

MV E CENTRO IMAGINARIO DE GIRO

FS = ME MV e

A

B

W

ME

Mecánicamente el peso W del muro aplicado en el centro de gravedad de la estructura genera un momento estabilizante ME = W x e, que debe ser mayor que el momento volcante provocado por el empuje del terreno que protege. El cociente entre estos dos valores se conoce como Factor de Seguridad FS, universalmente se considera FS > 1.5, para que la estructura sea estable. Los muros de gravedad pueden ser de concreto sin armar, de piedras en arreglos horizontales cementadas, de concreto ciclópeo o de gaviones. Los muros de piedra en arreglos horizontales los encontramos en las obras de arte de las viejas carreteras de principios del siglo 20 y

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JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO consistían en ordenados arreglos de rocas de forma prismática, colocadas horizontalmente e incipientemente cementadas con mezclas de cal y arcillas de sitio, o mezclas de suelos con cemento en períodos más recientes. En las carreteras Maracay - Ocumare de la Costa, Choroní -Maracay y la Carretera vieja Valencia-Puerto Cabello, todavía podemos observar estas rudimentarias, pero extraordinarias obras del ingenio humano. La llegada masiva del concreto permitió la construcción de los muros de concreto ciclópeo, que son estructuras donde se vacía concreto fluido de baja resistencia y posteriormente se colocan piedras brutas dentro de la masa, estas piedras son cubiertas con una nueva capa de concreto fluido, que da como resultado una estructura de gran resistencia (ver figura No. 1-a). Figura No. 1-A PASOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE UN MURO CICLÓPEO

Capa de concreto fluido

Rocas sobre la capa de concreto

Se agrega otra capa de concreto fluido

Los muros de gaviones son una versión más moderna de la ingeniería; su avance ha sido vertiginoso en los últimos años con el desarrollo de las aleaciones de metales más resistentes al ambiente y el uso del plástico y el polipropileno de alta densidad.

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El concepto básico de un gavión es una cesta metálica, armada en forma prismática de dimensiones generales 1 x 1 x 2 ó 1 x 1 x 3; el alambre puede venir recubierto con PVC, una vez armada la cesta se rellena con rocas, básicamente prismáticas densamente arregladas y protegidas por tensores que mantienen la estructura a medida que se van armando como se muestra en la figura No. 2 Figura No. 2 ESQUEMA DE UN GAVIÓN TENSOR

LA ROCA DEBE SER PREFERENTEMENTE PRISMÁTICA Y DENSAMENTE ARREGLADA

1M

1M

2M

Existen condiciones básicas para el armado del gavión, la selección de la piedra y su colocación dentro de la cesta, en nuestra experiencia en campo hemos podido observar asentamientos por reacomodo de la roca hasta 30 cm en una estructura de 5 metros de altura. Desde el punto de vista clásico, los gaviones se construyen según dos tipos de arreglos: triangulares y piramidales, como se muestran en la figura No. 3

Figura No. 3 ARREGLO CLÁSICO DE LOS GAVIONES

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PIRAMIDAL

TRIANGULAR

TRIANGULAR

La selección de cada tipo de muro depende básicamente de los siguientes factores: • • •

Tipo de terreno de apoyo. Tipo de suelo a contener. Ubicación y calidad de los materiales.

Terreno de apoyo de los muros La evaluación del tipo de apoyo es uno de los problemas más clásicos que se le presentan al Ingeniero en campo, sobre todo si no se dispone de un Estudio Geotécnico. Los muros de piedra y los muros de concreto ciclópeo requieren un terreno de apoyo firme y no susceptible a sufrir asentamientos por consolidación de las capas del suelo, esto es una condición indispensable. Recientemente en conversaciones con colegas de la rama de Ingeniería, se hacía referencia a la durabilidad de los muros de las carreteras construidas en la época de Juan Vicente Gómez, debido a esto comenzamos a observar estas obras y llegamos a las siguientes conclusiones: Los muros de piedra y concreto ciclópeo de estas carreteras siempre se apoyaban sobre suelos muy duros y resistentes en su mayoría rocas que afloran en la Cordillera. Los sistemas de drenaje de los muros son rudimentarios pero eficientes; la mayoría de las carreteras son de montaña con vegetación exuberante y con abundantes enredaderas parásitas que se han convertido en factor estabilizante de la estructura, en la actualidad tratamos con mayor tecnología imitar las bondades de estas obras practicando lo que llamamos bioingeniería.

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En nuestra carreteras llaneras, al sur de los estados Aragua, Guárico, Cojedes, al norte del estado Falcón, la presencia de suelos arcillosos, algunos de carácter expansivo han destruido estas mismas estructuras, lo que habla claramente de la importancia de la calidad del terreno de apoyo. Estas enseñanzas de los Ingenieros viejos nos dicen que sólo se deben construir muros de piedra y muros de concreto ciclópeo cuando está garantizada una base de apoyo muy firme. ( Ver Figura No.4) Figura No. 4 CONDICIÓN IDEAL PARA APOYAR UN MURO DE PIEDRA O CICLÓPEO

DRENAJES HORIZONTALES DEL TIPO BARBACANAS

MURO DE CONCRETO CICLÓPEO

MACIZO ROCOSO GRANITICO CORDILLERA DE LA COSTA

RELLENO DE MATERIAL GRANULAR MURO EMPOTRADO EN LA ROCA

Los muros de gaviones son conceptualmente muros flexibles, éstos muros permiten ciertos asentamientos del terreno de apoyo, que son absorbidos por su flexibilidad. A diferencia del muro ciclópeo mostrado en la figura No. 4, que básicamente forma parte de la estructura de la calzada de la vía, los muros de gaviones en arreglos tradicionales deben mantener una zona de seguridad o protección con la zona afectada por el tráfico automotor como se muestra en la figura No. 5. Esta situación ha quedado demostrada en muchas experiencias en la vialidad de los estados Aragua y Carabobo. Figura No. 5 CONDICIÓN PARA LA UTILIZACIÓN DE MUROS DE GAVIONES

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JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO ZONA DE PROTECCIÓN ENTRE LA VÍA Y LA ESTRUCTURA DEL GAVIÓN SUELO RESIDUAL ARCILLO-LIMOSO

Suelo que contiene el Muro Otro factor importante que debemos considerar es el suelo que contiene el muro, los suelos granulares y los macizos rocosos fracturados o meteorizados generalmente son permeables. Los suelos granulares deben su permeabilidad a la gran cantidad de intersticios entre su estructura granular y las rocas fracturadas y meteorizadas a las discontinuidades que provocan las diaclasas, fracturas y fisuras. Cuando se construyen muros para contener este tipo de suelos y rocas, generalmente no hay movimiento de materiales finos por la circulación del agua a través de los vacíos del suelo. Sin embargo, cuando tenemos suelos de grano fino como arcillas y limos, el flujo del agua del suelo provoca el lavado de finos y la formación de canales que llamamos comúnmente tubificaciones y son las responsables de la destrucción de muchas obras de arte en las carreteras nacionales, en la figura No. 6 se ilustra el problema. Figura No. 6

FALLA EN EL BORDE DEL PAVIMENTO

HUNDIMIENTO DETRÁS DE LA BASE DEL GAVIÓN

HUNDIMIENTO Y ROTURA DEL PAVIMENTO

SUELOS LIMO-ARCILLOSOS FINOS CON FLUJO DE AGUA SUBTERRANEA

FUGA DE FINOS POR LOS DRENAJES DEL MURO SOCAVACIÓN EN LA BASE DEL MURO

SOCAVACIÓN Y HUNDIMIENTO EN LA BASE DEL GAVION

SUELOS ARCILLO LIMOSOS CON FLUJO DE AGUA LINEA DE FALLA

FUGA DE FINOS MAYOR POR LOS VACIOS ENTRE LAS ROCAS

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Hay un detalle importante de mencionar a las nuevas generaciones, ya que constantemente oímos hablar de las virtudes de la Ingeniería de principios de siglo y es que: ¿Han visto ustedes obras de ingeniería vieja en suelos expansivos o dispersivos?, ¿Han perdurado estas obras en los caminos y carreteras afectadas por este tipo de suelos?. La experiencia del autor es que existe muy poca evidencia de éxito de los Ingenieros de principio de siglo al tratar con suelos de complejo comportamiento; por el contrario muchas obras de ingeniería construidas en ciudades como Coro y Valle de la Pascua han tenido que ser reforzadas con técnicas modernas de recalce de fundaciones. Ubicación y Calidad de los Materiales Uno de los principales problemas que comúnmente se le presentan a los Ingenieros es la ubicación de materiales y la calidad de éstos. En la Región Central del país, el acelerado crecimiento de la población ha provocado la creación de muchas zonas de protección ambiental que cada vez hacen más difícil obtener materiales de buena calidad. Para obtener materiales de una calidad aceptable es necesario transportarlos desde lejanas canteras que hacen que el costo de transporte sea superior al costo en sí del material, es por esto que muchas veces la verdadera selección del muro más conveniente va a depender de la disponibilidad en el sitio de los materiales para la construcción de los muros. Cuando no es factible obtener materiales en el sitio de buena calidad debemos recurrir a los muros de concreto armado. EVOLUCIÓN DE LOS MUROS DE GAVIONES Como toda obra de ingeniería en la evolución de los gaviones también se requiere de un cálculo para su diseño a continuación presentamos una serie de consideraciones para el cálculo de un muro de gaviones. GAVIONES TRADICIONALES

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El diseño de un gavión debe chequearse bajo tres condiciones básicas de estabilidad que son: A.- Estabilidad al Volcamiento: consiste en el efecto de rotación que el gavión tendría bajo el efecto del empuje del terreno tomando un centro de giro C como se muestra en la figura No. 7. Figura No. 7 TENDENCIA A ROTACIÓN DEL GAVIÓN Dirección del momento de giro

E

Resultante del empuje del terreno

Peso gravitacional del gavión

C

“P” Dirección del momento

estabilizante Este efecto de rotación es contrarrestado con el peso propio del gavión “P” que provoca un momento de estabilización en sentido contrario al momento de giro, de donde resulta que la estabilidad al volcamiento será:

Ev = (1)

∑ Me ∑ Mv

Donde: Ev ∑Me ∑Mv

= = =

Estabilidad al volcamiento, su valor debe ser mayor de 1.5 Sumatoria de los momentos estabilizantes Sumatoria de los momentos de volcamiento o momento de giros.

Ev también es llamado Fs. La razón por la cual la estabilidad de un gavión depende de su peso propio lo hace un “MURO DE GRAVEDAD”.

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JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO B.- Estabilidad al deslizamiento: la estabilidad al deslizamiento de un gavión se mide por la tendencia al desplazamiento horizontal de la estructura cuando sobre él actúan los componentes horizontales del movimiento como se muestra en al figura No. 8. Figura No. 8 TENDENCIA AL DESLIZAMIENTO DEL GAVIÓN

Figura No. 8-B

Figura No. 8-A

E

R

E

Ep

R

Cuando el gavión no esta empotrado en suelo (figura No. 8-A), el empuje horizontal (E) producido por el terreno, solo tiene una fuerza resistente (R) que corresponde al roce entre la estructura y el terreno. Por esta razón es conveniente empotrar el gavión por lo menos 0.5 metros, dentro del terreno natural, donde se produce una nueva fuerza resistente (Ep) que es función del empuje pasivo del suelo (figura No. 8B). Entonces la estabilidad al deslizamiento se podrá estimar como: Ed = (2)

Fd Fr

Donde: Ed

=

Fd Fr

= =

Estabilidad al deslizamiento cuyo valor debe ser mayor de 1.5 Fuerzas deslizantes (empuje activo) Fuerzas resistentes (empuje pasivo y fuerza de roca)

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JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO C.- Estabilidad al hundimiento: resulta de examinar la capacidad isible de carga del suelo y compararla con el peso propio de la estructura dividido entre el área de la estructura como se muestra en la figura No. 9. Figura No. 9 ESTABILIDAD AL HUNDIMIENTO DE UN GAVIÓN

P

Pc = P/A

Q

El valor Pc que significa presión de o, se obtiene de dividir el peso de la estructura o sección de la estructura (P), entre el área (A) sobre la cual actúa, obteniendo un esfuerzo en toneladas/metros2. Eh = (3)

Q Pc

Donde: Eh

= Estabilidad al hundimiento (cuyo valor NO debe ser mayor de 3) Q = Capacidad isible de carga del suelo obtenido por el criterio de Terzaghi y expresado en T/m2 Pc = Presión de o, peso de la estructura sobre su área El cumplimiento de las tres condiciones de estabilidad no es condición sine qua non de que el muro no falle, existen factores externos que aún el diseño cumpliendo la condición de estabilidad pueden llevar al muro a una falla prematura dependiendo del tipo de suelo que se quiera proteger. 10

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En los suelos arenosos: los gaviones generalmente fallan por socavación de la base cuando se utilizan para proteger las riveras de los ríos o pendientes de suelos arenosos con abundante flujo de agua, como se muestra en la figura No. 10. Figura No. 10 Socavación por infiltración de agua en suelos arenosos Figura No. 10-B

Figura No. 10-A

Enpor los suelos arcillosos: los gaviones fallan por erosión y Socavación subida o bajada formación de tubificaciones con pérdidas de finos, como se muestra en del nivel del agua del río, la figura No. 11. quebrada o alcantarilla Figura No. 11 Formación de vacíos por erosión Figura No. 11-A

Figura No. 11B

Formación de tubificaciones 11 y en suelos arcillosos dispersivos

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En los suelos estratificados: los gaviones pueden fallar por asentamientos por consolidación de estratos compresibles por debajo del suelo de apoyo como se muestra en la figura No. 12. Figura No. 12-A: Perfil

Estrato Compresible

Figura No. 12-B: Frente

Asentamiento en el centro Estrato Compresible

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¿Cómo corregir estas fallas no imputables directamente al análisis de estabilidad del gavión? Las fallas por socavación en la base, como es el caso de lo mostrado en la figura No. 10, normalmente se corrigen logrando un empotramiento dentro del terreno; este empotramiento puede perderse por subidas o bajadas del nivel freático, pendiente fuerte u otros. Por esta razón todo gavión debe tener una base de apoyo. Esta base normalmente es grava gruesa o piedra picada, de manera tal que transmita los esfuerzos al suelo, manteniendo una relación granulométrica con el terreno de apoyo, en muchos casos es necesario la colocación de dos materiales cuando el suelo de apoyo es una arcilla muy fina, como se muestra en la figura No. 13. Figura No. 13

Base de grava gruesa o piedra picada de 15.0 a 25.0 cm

Terreno natural areno-arcilloso

Filtro de arena espesor de 10.0 13 a 20.0 cm

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Las fallas por tubificación y erosión que ocurren generalmente detrás del tubo de gaviones, se producen por lavado o dispersión de finos. El primer caso, el lavado, produce formación de cárcavas y tubificaciones que no son más que canales dentro del terreno por donde circula el agua, estos se van ensanchando en relación directa con la velocidad de infiltración del agua que a su vez es función del gradiente hidráulico. La dispersión es la propiedad que tiene el suelo de deshacerse bajo efectos del agua y se debe generalmente a la presencia del sodio en el suelo. Se requiere un ensayo de laboratorio muy sofisticado llamado “Pin Hole Test” sin embargo de manera expeditiva se pude determinar en campo utilizando un sencillo pero muy práctico ensayo conocido como el “Crown Test”; este ensayo consiste en tomar un terrón del suelo y colocarlo en un vaso de vidrio con agua destilada, si el terreno se desmorona y forma una nube de lodo, estamos en presencia de un suelo dispersivo; para corregir estos problemas los muros de gaviones deben dotarse de un filtro entre la pared del muro y el suelo a proteger. Este filtro debe mantener la relación granulométrica recomendada por Terzaghi que dice: D15 (Filtro) D85 (Suelo)

4<

< 5

D15 (Filtro) D85 (Suelo)

D50 (Filtro) D50 (Suelo)

< 20

< 25 5

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JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO Una alternativa moderna es el uso de membrana Geotextil del tipo 180 grs/m2 ó 1900 Nt. Este tipo de membrana, permite el paso del agua y retiene los finos evitando la erosión y formación de tubificaciones. En caso donde la granulometría del terreno a proteger es más gruesa se pueden utilizar geomallas que son protectoras de erosión como se muestran en la figura No. 14. Figura No. 14 TIPOS DE GEOMALLAS

El diseño final de un muro de gaviones clásico tendrá los siguientes elementos, como se muestra en la figura No. 15. Figura No. 15 DISEÑO DE UN MURO DE GAVIONES CLÁSICOS

Filtro granulométrico o utilizar membranas

Empotramiento mínimo 0.5 m

Base utilizando uno o dos materiales de acuerdo al suelo

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TÉCNICAS MODERNAS UTILIZANDO GAVIONES Muros de gaviones armados: los muros de gaviones armados, también llamados “Terramesh”, resultan de la combinación de dos tecnologías diferentes, que son: los gaviones clásicos y la tecnología de la tierra armada. De los gaviones clásicos ya hemos abordado el tema en el capitulo anterior. La tierra armada consiste en conchas de concreto machihembradas con flejes como muestran en la figura No. 16 Figura No. 16 ELEMENTOS DE LA TIERRA ARMADA

Figura No. 16-A Flejes con elemento machihembrado de concreto

Figura No. 16-B Elemento de concreto

Un muro se desarrolla colocando una fila de elementos de concreto con sus flejes y se van compactando con un material granular

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JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO que garantice una fricción mínima entre suelo y fleje y produzca una tensión específica sobre el elemento logrando un arreglo de excelente resistencia y eliminando la construcción de elementos rígidos de concreto armado que a medida que son más altos, sus costos se elevan exponencialmente. En la figura No. 17 se puede observar lo planteado. Figura No. 17 CONSTRUCCIÓN DE UN MURO DE TIERRA ARMADA Figura No. 17-A Construcción de un muro de tierra armada

Elemento de concreto machihembrado

Suelo arenoso compactado

Fleje de acero galvanizado

Figura No. 17-B Muro de H metros concluido

H

De la combinación de estas tecnologías, 0.7 H se obtienen los muros de gaviones armados, estos gaviones además de la cesta clásica, tienen 17

JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO una malla que hace las funciones de los flejes de acero galvanizado como se muestran en la figura No. 18 Figura No. 18 ESQUEMA DE UN MURO DE GAVIÓN ARMADO

3.0 m

L = 0.7 H

1.0 m 1.0 m

Estos muros, a diferencia de la tierra armada, son de menor impacto ambiental, en muchos casos la materia prima se encuentra en el lugar de la obra. Con la granulometría apropiada pueden sembrase y convertirse en jardines escalonados. Estos muros no requieren de barbacanas filosóficamente un elemento de drenaje natural.

porque

son

A diferencia de la tierra armada, los gaviones armados requieren menor mano de obra especializada y equipos de compactación más ligeros. Los muros de gaviones armados se utilizan como muros de sostenimiento de taludes (figura No. 19), reconstrucción en media ladera después de deslizamientos de tierra (figura No. 20) o como elementos de control de erosión en pendientes. Figura No. 19 MUROS DE GAVIONES ARMADOS EN TALUDES

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Figura No. 20 RECONSTRUCCIÓN DE MEDIA LADERA

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Para finalizar, se describen las bondades de un gavión: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Es un muro de contención Es de poco impacto ambiental Pueden diseñarse para que la naturaleza lo asimile Es flexible Es práctico Es económico Se ejecuta donde las condiciones no permiten otro tipo de estructura. 8. Permiten la combinación con técnicas modernas con geotextiles o geomallas.

LAS PLANTAS Y LA INGENIERÍA Si entendemos el lenguaje de las plantas podremos mejorar nuestras obras de ingeniería, por el contrario un desconocimiento total de las principales características podrá convertir una bella planta en un enemigo insospechado. Un caso típico es el uso de palmeras tales como: chaguaramos, cocoteros de jardín, cocotero y todas sus familias en los jardines de estructuras apoyadas sobre suelos muy susceptibles al humedecimiento. Si bien es cierto que la familia de las palmeras son especialmente resistentes en climas áridos y semiáridos, estos climas en nuestro país están asociados con suelos arcillosos unos potencialmente expansivos. La genética de las palmeras se caracteriza por tener un desarrollo de raíces radiales y muy superficiales, algunos textos de botánica dicen 20

JOSÉ V. HEREDIA T. INGENIERO GEÓLOGO que una palmera puede desarrollar sus raíces radialmente hasta 50 veces su diámetro, bajo esta condición un tronco de 30.0 centímetros de diámetro puede desarrollar un diámetro de 15.0 metros. Cuando sembramos palmeras en jardines muy cerca de estructuras, sus raíces inmediatamente invaden el subsuelo, penetrando debajo de la edificación y se produce un fenómeno muy natural. Las raíces de las palmeras son superficiales por que están genéticamente adaptadas a climas secos y deben tomar cualquier pequeña cantidad de agua que tenga el suelo y la almacenan al igual que los camellos. Sin embargo como nosotros regamos el jardín, estas acumulan y acumulan agua debajo de la estructura porque estas raíces no están sometidas a la evaporación que las raíces distribuidas en áreas expuestas del jardín. Esta humedad en suelos arcillosos potencialmente expansivos genera presión de expansión y daño estructural a la edificación, en el mejor de los casos provoca humedecimiento de paredes con pérdida del friso y en piso levantamiento de cerámicas. En nuestra experiencia práctica, hemos podido comprobar la penetración de raíces 12.0 metros dentro de una estructura (Colegio La Concepción de Maracay).

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