Cap5. Pernos, Clavos y Micropilotes

8/10/2019 Cap5. Pernos, Clavos y Micropilotes

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Captulo 5

Pernos Clavos y Micro-pilotes

Figura 5.1 Uso de clavos y micro-pilotes para estabilizar los taludes de una va.

Los pernos, clavos y micro-pilotes son inclusionespasivas de refuerzo de acero con lechada de

cemento, colocadas dentro de una masa de sueloo roca, con el objeto de mejorar su estabilidad.Los pernos se utilizan principalmente en macizosde roca para evitar movimientos relativos de losbloques.

Los clavos se colocan en suelos residuales omateriales relativamente duros para rigidizar lostaludes, y los micro-pilotes son estructuras pasivasde soporte o estabilizacin.

Los tres sistemas son similares en su estructurapero su mecanismo de trabajo es diferente. Las

inclusiones pasivas son utilizadas con muchafrecuencia como herramienta de estabilizacin,especialmente en taludes de carreteras.

En la gura 5.1 se muestra un caso deestabilizacin del terrapln de una va utilizandomicro-pilotes y del talud superior en corte con unaestructura de clavos. En la gura 5.2 se presentandos ejemplos de estabilizacin de macizos de rocapor medio de pernos.

Clavos

Micropilotes

Inyeccin en toda su longitud

Refuerzo de acero

Inyeccin o presin en toda lalongitud del micropilote

Refuerzode acero

Pantalla delgada deconcreto reforzado Zapata


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174 DESLIZAMIENTOS - TECNICAS DE REMEDIACION

PERNOS

Los pernos son elementos estructuralesgeneralmente, constituidos por varillas de acero,colocadas dentro de una perforacin, la cual seinyecta posteriormente con cemento para unir lavarilla al macizo de roca.

Figura 5.2 Estabilizacin de un manto rocoso utilizandopernos

Realmente lo que ocurre es un refuerzo del macizode roca por intermedio de la varilla. En esta formase pueden evitar los cados de roca y en ocasiones,los deslizamientos de macizos de roca fracturadacon discontinuidades muy espaciadas.

El diseo de los pernos generalmente es empricobasado en un anlisis de las discontinuidades enel macizo y de la estabilidad de los bloques. Laparte ms importante del diseo es determinar lalocalizacin, ngulo de inclinacin y longitud decada perno.

El detalle comn de las tecnologas de pernoses que minimizan la relajacin o desprendimientode los bloques de roca (Hoeck, 1983). Una vezlos bloques se sueltan, es muy difcil recobrar laestabilidad completa del macizo, por eso la colocacinde anclajes es muy til que se realice previamente auna excavacin (Wyllie y Norrish, 1996).

Este pre-refuerzo se puede lograr instalandoanclajes a medida que se avanza con el corteinstalando pernos a la cresta del corte, antes dela excavacin.

Los pernos tienen similitud con los anclajes perono son pretensados. Generalmente, son varillas

de acero cementadas a la roca y con una platina ytuerca en la cabeza. Los pernos tienen menos de 10metros de largo y se utilizan para reforzar bloquessueltos o mantos de roca. Su longitud depende dela geometra del macizo. Su espaciamiento tpicoes de 2 a 3 metros.

El perno se ja a la roca utilizando una resina,un cemento o por un sistema mecnico (Figura 5.3).El sistema de resina incluye cartuchos de un lquidoy de un endurecedor, los cuales se mezclan en untiempo de curado que vara de acuerdo al productoentre 1 y 90 minutos. El tiempo de curado tambindepende de la temperatura ambiente. El sistemaconsiste en insertar los cartuchos en el hueco parallenar el espacio entre el hueco y el perno.

Es importante que el dimetro del hueco y eltamao de la varilla estn dentro de una toleranciaespeci cada, en tal forma que la resina se mezcley funcione correctamente. La barra se mete en elhueco y se mezcla la resina hacindola rotar.

Calizas

Anclajes

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opt PT

Buzamiento dela estratificacin

Muro anclado

Materialremovido

Pernos

Concretodental

Concretodental

Bulbosinyectados

Pernos

Pernos

Subdrnhorizontal


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175PERNOS CLAVOS Y MICRO-PILOTES

La principal ventaja de los pernos con resinaes la simplicidad y velocidad de instalacin y ladesventaja es que la capacidad de los pernos selimita generalmente a 400 kN y el hecho de quesolamente se pueden utilizar barras rgidas. Adems, la resina no es tan efectiva para controlarla corrosin como el cemento.

LOS CLAVOS (NAILS)

Los clavos fueron desarrollados en Europa yla primera aplicacin fue en Francia en 1972

(Rabejac y Toudic, 1974). El sistema de clavoso Soil Nailing es un mtodo de refuerzoin-situ utilizando refuerzos inyectados capacesde movilizar resistencia a tensin en el caso deocurrencia de un movimiento. El trmino Nailse utiliza en todos los idiomas y la traduccin alespaol clavo tiene una utilizacin menor.

Se diferencian de los pilotes en cuanto losclavos no resisten cargas laterales a exin, y delos anclajes pretensionados en que son pasivos(No se pretensionan) (Figura 5.4). Los clavos

requieren espaciamientos menores que los anclajesy actan como un refuerzo del suelo aumentandola resistencia interna del macizo al cortante.

Elementos constitutivos de los clavosLos clavos pueden ser varillas de acero, tubos ocables que se introducen dentro del suelo naturalo la roca blanda y son inyectados dentro de huecospre-perforados (Figura 5.5). En la cabeza se puedecolocar una platina y rosca o puede colocarse lavarilla doblada.

Figura 5.3 Tipos de perno.

Figura 5.4 Clavos vs. anclajes. Los anclajes sonpretensionados y los clavos son pasivos (sin pre-tensionamiento). .

Super cialmente se coloca una pantalla deconcreto lanzado reforzada para darle continuidadsuper cial y apoyo a los refuerzos. Generalmenteson espaciados a distancias relativamente pequeas.Los clavos pueden ser hincados o inyectados enperforaciones previamente realizadas.

Junto con el suelo estos clavos forman unaestructura de suelo reforzado.Comnmentese utiliza un clavo por cada uno o seis metroscuadrados de suelo de super cie. Los clavosse utilizan para estabilizar cortes y permitir laconstruccin de arriba hacia abajo.

Cono

Descansodel tubo

Tubo para lechada deinyeccin

Placa de recubrimiento deltubo

Cinta

Revestimiento

Barra dedivisin

Elemento deconexinBarra de

refuerzoInyeccin

Platina de reparticin

Dispositivo de conexin

Tuerca

a) Perno mecnico b) Perno cementado

1

2

34

5

6

7

Anclaje pretensado o activo

Anclajes pasivos (clavos)

Muro

Pantalla delgada

Zapata de concreto armado


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La estabilidad de la super cie del terreno escontrolada por una capa delgada de concretolanzado, de espesor de 12 a 18 centmetros con unamalla de refuerzo. Estas estructuras se les utilizantanto en suelos granulares como cohesivos.

Funcionamiento de los clavosLa estabilidad de una estructura claveteada sebasa en los siguientes factores:

Desarrollo de friccin o adhesin en lainterface suelo-clavo (Refuerzo del suelo).

Resistencia pasiva desarrollada a lo largo dela super cie perpendicular a la direccin delclavo.

Transferencia de cargas a travs de suelossueltos o blandos a un material mucho mscompetente.

Los sistemas de clavos son relativamente exiblesy por lo tanto resistentes a fuerzas ssmicas; sinembargo, el comportamiento dinmico de estasestructuras es relativamente desconocido; seconoce que se comportan muy bien en los sismos,pero se requiere desarrollar sistemas de diseopara sismos.

Esta tecnologa ha sido utilizada especialmente

para la estabilizacin de excavaciones temporales yhay alguna preocupacin sobre la rata de corrosindel material utilizado; sin embargo, en el mercadohan aparecido materiales y protecciones de altaresistencia a la corrosin.

Elas (1991) y Byrne (1992), presentan algunossistemas de diseo. Debe tenerse en cuenta quealgunos de los procedimientos de instalacin declavos estn protegidos por patentes.

Figura 5.5 Esquemas de los tipos de clavo.

D d e p e r f o r a c i n

D l i b r e

Le c h a d a C e n t r a l i z a d o r e s

Lo n g i t u d d e p e r f o r a c i n Lo n g i t u d d e l c l a v o Lo n g i t u d d e l t e n d n

Tuerca

PestaaRevestimiento

Varilla de acero

Lechadainyectada

C e n t r a l i z a d o

Lo n g i t u d e f e c t i v a d e l c l a v o ( L)

Pantalla

Varilla de acero

(L1) deagarre

Pantalla

a) Con rosca y platina

b) Con varilla doblada en pantalla

L tendn = L+ L1

Rosca

platina de apoyo


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Aplicaciones de las estructurasclaveteadasLos clavos son muy utilizados para las siguientessituaciones:

Excavaciones semi-verticales en cortes decarreteras.

Estribos de puentes.

Figura 5.6 Esquema de clavos en un deslizamiento.

Figura 5.7 Esquema general de la construccin de clavos.

Estructuras provisionales para reparacin deotras estructuras.

Estabilizacin de taludes en rocas fracturadasy meteorizadas, suelos residuales y saprolitos(Figura 5.6).

Estructuras de contencin para la proteccinde cimientos sobre taludes.

Ventajas de los clavosLas principales ventajas de los clavos con relacina otros sistemas de anclajes o a muros de concretoarmado son las siguientes (Abramson y otros, 2002;Lazarte y otros, 2003; Xanthakos y otros 1994):

Bajo costo. Las varillas de acero son ms

econmicas que los torones o cables. Econcreto lanzado entre clavos es delgado.

Requiere profundidades menores de refuerzoque los muros anclados.

Permite la excavacin por tramos y de arribahacia abajo (Figura 5.7).

La instalacin de los clavos es relativamenterpida.

M a s a d

e l s u

e l o

C o n t

e n i d a

Superficie de falla

Malla o pantalla

Clavos

Talud original

Inyectados entoda su longitud

a) Excavacin por niveles

Estructura de contencin

Area de falla

3. Concreto lanzadoreforzado

4. Excavacin

1. Excavacin 2. Nailing (clavos)

Pantalla deconcreto armado

b) Estabilizacin del talud

- Perforacin- Colocacion de clavos- Inyeccin- Construccin de pantalla


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Utilizan equipos livianos. Los clavos seconstruyen utilizando equipos convencionalesde perforacin e inyeccin y pueden serutilizados en sitios con difcil acceso y espaciolimitado.

Adaptacin a diferentes condiciones de suelo.En suelos heterogneos donde aparecenbloques de roca, los clavos perforados tienengrandes ventajas constructivas sobre lospilotes o los anclajes de gran dimetro.

Flexibilidad. Las estructuras de clavos sonms exibles que las de concreto armado yresisten mayores movimientos diferenciales.

Redistribucin de los esfuerzos. Si un clavopor alguna razn se sobre estresa, la carga seredistribuye a los clavos vecinos y no falla laestructura total.

Comportamiento ssmico. Los clavos secomportan muy bien en el caso de sismos.

Desventajas de los clavosLas desventajas de los clavos son las siguientes(Lazarte y otros, 2003; Xanthakos y otros 1994):

Se requiere mayor nmero de refuerzos queen una pantalla anclada.

El sistema de clavos no es e ciente en suelosblandos y se requiere cierta rigidez de losmateriales del talud.

Los taludes deben ser lo su cientementeresistentes para resistir las excavaciones sinfallar.

Para que funcione el sistema, se requiere queocurra deformacin en el suelo para movilizar

la resistencia de los clavos. Para poder aplicar el concreto lanzado no

debe a orar agua fretica sobre la fachadadel muro.

Es difcil construir sistemas de drenajecon ables.

Se puede requerir alivio de presiones parapoder construir la estructura.

El nmero de clavos es de tal magnitud quepuede ocurrir interferencia con redes deservicios pblicos en zonas urbanas.

Tipos de material para la aplicacin declavos

Los clavos se pueden construir en una granvariedad de suelos, pero generalmente se requiereque la excavacin vertical del muro puedarealizarse por tramos no soportados, que no existanivel fretico y que no se requiera encamisado delas perforaciones por unas pocas horas mientrasse coloca el clavo.

Este sistema es mucho ms efectivo en suelosgranulares cementados, en rocas meteorizadas,suelos residuales y en arcillas limosas duras. Elsuelo debe tener su ciente resistencia para resistirun talud vertical de aproximadamente dos metrosde altura sin deformacin.

Los suelos preferidos para la colocacin declavos son los siguientes:

Roca meteorizada y suelos residuales . Laroca meteorizada es un excelente materialde soporte para los clavos y estos actan enforma muy efectiva para evitar los movimientoshorizontales, las inclinaciones y los deslizamientossuper ciales. Es deseable que la meteorizacinsea relativamente uniforme aunque no es unrequerimiento obligatorio.

Figura 5.8 Deformaciones de los muros de clavos(Byrne y otros, 2008)

Estructuraexistente

DDEF

L

Configuracininicial

Clavo

Modelo dedeformacin

H

v

h

La deformacin mayor es en la parte superior


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Suelos granulares cementados . Incluyen lasarenas y gravas con valores de N en el ensayo SPTde ms de 30 golpes/pie y ms del 10% de nos.Se requiere que la cohesin sea mayor de 5 Kpa(Lazarte y otros, 2003).

Suelos cohesivos duros . Los suelos cohesivosduros, las arcillas, arcillas limosas, limos arcillosos,arcillas arenosas y otras combinaciones permitenla colocacin de clavos. Como criterio se requiereque el valor de N en el ensayo SPT sea de ms de 9golpes/pie. En lo posible el ndice plstico debe sermenor de 15 y la cohesin superior a 10 Kpa.

No es recomendable la construccin de clavosen las siguientes situaciones:

Suelos granulares secos, sin nos y poca

cohesin.

Arcillas blandas.

Suelos con grandes bloques de roca.

Suelos con niveles freticos.

Suelos orgnicos.

Suelos corrosivos.

Deformaciones de las estructuras declavosLas observaciones de campo han demostrado quela deformacin de un muro de clavos es mayoren la parte superior que en la parte inferior,generndose un desplazamiento similar a unvolteo (Figura 5.8).

Para muros diseados con los factores de seguridadespeci cados, Clouterre (1991) indic que lasdeformaciones en la parte superior del muro erande aproximadamente 0.1% de la altura del muro Hen suelos duros y rocas meteorizadas y 0.3%H ensuelos arcillosos.

Clough y ORourke (1990) mostraron que losmovimientos horizontales de un muro de clavospromedian 0.2%H, lo cual est de acuerdo con lainvestigacin de Clouterre.

Teniendo en cuenta que las deformaciones sonsuperiores en la parte alta del muro, la primerahilera de clavos no debe tener una profundidadsuperior a 90 centmetros por debajo de la coronadel muro (Cornforth, 2005).

Resistencia de los clavos a los sismosLos muros en clavos se comportan muy bien en lasregiones ssmicas, debido a su exibilidad que haceque los refuerzos controlen los esfuerzos ssmico

fcilmente.Ensayos sobre clavos realizados en California

despus del sismo de Loma Prieta de magnitud7.5 en 1989 con el 150% de su carga de diseo,mostraron que no se present prdida alguna en sucapacidad por accin del sismo (Felio y otros, 1990).

Las estructuras de clavos se comportan mse cientemente que los anclajes pretensados, en elcaso de sismos.

Figura 5.9 Seccin tpica de una pared de clavos ydetalles del sistema utilizado en los Estados Unidospara las cabezas de los clavos (Modi cado de Lazarte yotros, 2003).

Revestimientopermanente

Revestimientotemporal

Superficieoriginal

H

Clavos

S i s t e m a d e d r e n a j e

Sv 15L

Inyeccin

Barra de acero

Geocompuestode drenaje

Pantalla

Revestimientopermanente

Refuerzo

Perno

Clavos

Arandelas

Platina mallaelectrosoldada


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Elementos bsicos de una estructura declavosLos clavos consisten en perforaciones en las cualesse coloca una varilla de acero y luego se inyectacon lechada, como se muestra en la gura 5.9.

Los componentes tpicos de un muro de clavosson los siguientes:

Perforacin. Las perforaciones se realizanutilizando algunos de los muchos sistemasdisponibles de perforacin incluyendo rotacin,percusin, roto-percusin y auger. La seleccindel tipo de perforacin generalmente, depende dela disponibilidad de equipos en la localidad. Sinembargo, en ocasiones el diseador especi ca unsistema de perforacin de acuerdo a las condicionesdel sitio y especialmente cuando se requiereproteger estructuras o utilidades cercanas. Losdimetros de las perforaciones varan entre 4 y 12pulgadas y los dimetros ms comunes son los de5 a 8 pulgadas.

Figura 5.10 Patrones para la colocacin de clavos ensituaciones complejas (Lazarte y otros, 2003)

La inclinacin de las perforaciones varageneralmente de 10 a 20 y la tpica es de15. Las inclinaciones de menos de 10 no sonrecomendables por la di cultad para inyectar lalechada. En ocasiones se requieren inclinacionesdiferentes para evitar ductos o estructuras, opara que no se presente traslapo entre los clavos(Figura 5.10).

Los espaciamientos varan generalmente entre1 y 3 metros. Entre mayor sea el espaciamientomayor es la carga sobre los clavos y menor suefectividad como estructura de contencin. Elespaciamiento horizontal es comnmente elmismo vertical. En ocasiones se especi ca unespaciamiento mnimo y uno mximo para lograrlos efectos deseados.

Las longitudes de los clavos dependen de lalocalizacin de la super cie de falla real o potencial.Es muy comn que se utilicen longitudes uniformes,pero en ocasiones se disean longitudes diferentesde acuerdo a las caractersticas geolgicas y alcomportamiento de la estructura. Comnmentelos clavos superiores son ms largos que losinferiores.

Barras de acero de refuerzo . El componenteprincipal de un clavo es una varilla de acero slida,la cual se coloca en las perforaciones pre-excavadas

y luego se inyecta. Se utilizan generalmentevarillas con resistencia a la tensin de 420 a 520MPa (grado 60 o 75). Se utilizan dimetros entre19 y 43 milmetros (varillas nmero 6 a nmero14). Las longitudes de los refuerzos generalmentese ajustan a las longitudes comerciales de lasvarillas (6, 12 y 18 metros). En los Estados Unidosse acostumbran varillas con la punta roscada, conel objeto de colocar una pequea fuerza de tensinutilizando una tuerca y una llave.

Centralizadores . Los centralizadores son

elementos de PVC u otro tipo de plstico que seinstalan a lo largo de la varilla, en espaciamientosde aproximadamente 2.0 metros. El objeto de estoscentralizadores es evitar el contacto del refuerzocon el suelo.

Proteccin contra la corrosin. La varilla deacero se recomienda que tenga una proteccinadicional contra la corrosin. Este requisito puedeobviarse si se garantiza que la lechada es su cienteproteccin contra la corrosin.

Muro superior Localizacin declavos

Pie de laexcavacin

S H

S V

S VO

> 15

< 15

15

S V

1

2

S HS H S H S H S H S H

S HS H

Utilidades

Seccin cruzada Planta

Ducto

Sv y Sh debenser menores del

mximoespecificado

Clavos 1 y 2 secruzan para evitar

la interseccin


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Lechada. La lechada se coloca en la perforacindespus de colocar el refuerzo. La lechada actacomo el elemento que trans ere el esfuerzo delsuelo al refuerzo. Igualmente la lechada actacomo proteccin contra la corrosin de la varillaEn la mayora de los casos se utiliza cemento tipoI. La relacin agua/cemento tpica vara de 0.4 a0.5, pero en ocasiones se utiliza una lechada msviscosa con un slump de aproximadamente 30milmetros (1 ).

La lechada viscosa se utiliza cuando hay suelosmuy permeables o roca muy fracturada. Cuandose inyectan lechadas muy espesas, se requiere nocolocar centralizadores de plstico, debido a queestos impiden el paso de la lechada.

No se recomienda la utilizacin de aditivos,

pero en ocasiones se requieren para permitirla inyectabilidad del material, especialmenteen climas clidos en los cuales se requierenplasti cadores para permitir el manejo de lalechada durante aproximadamente una hora.

La lechada debe colocarse inmediatamentedespus de realizada la perforacin y colocadala varilla para evitar que el hueco se cierre. Lalechada comnmente se coloca utilizando unamanguera plstica que se baja hasta el fondo dela excavacin. Esta manguera debe retirarse

despus de inyectada la lechada.Cabeza del clavo. En los Estados Unidos(Lazarte y otros, 2003) se acostumbra construiruna rosca en la punta de la varilla para colocaruna platina y una rosca para conectar la varillaal muro o pantalla super cial. La platina puedequedar embebida en el concreto o apoyada sobre lasuper cie de la pantalla de concreto armado. EnColombia con frecuencia se dobla la varilla paraque quede unida a la pantalla super cial.

Pantalla superfcial. La pantalla super cial esuna placa de concreto reforzada maciza, la cualse construye generalmente utilizando concretolanzado. Esta pantalla une las cabezas de losrefuerzos para contener el suelo y al mismotiempo transmitir esfuerzos del suelo a los clavos.Como refuerzo generalmente, se utilizan mallaselectrosoldadas. La magnitud del refuerzo debeser determinada por un Ingeniero Estructural, conbase en las presiones de tierras que le suministreel Ingeniero Geotecnista.

Figura 5.11 Detalles del sistema de subdrenaje declavos (Byrne y otros, 1998).

Geocompuesto

Lloradero

Subdrn de zanja

Geotextil

Pie del subdrn

Concretoproyectado

Tapa enPVC

S e c c i n n o

p e r f o r a d a

Tapa final

10-15

5 0 m m 0. 6 m

s e c c i n r a n u r a d a

Subdrn planar (Geocompuesto)

Muro

Lloradero

zanja

Lloradero

Geotextil

Tubera PVCranurada

Filtro de fbrica


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El concreto lanzado puede colocarse en mezclaseca o hmeda, con una relacin agua/cementode aproximadamente 0.4. El concreto lanzadocon mezcla hmeda generalmente, da mejoresresultados de resistencia (Lazarte y otros, 2003).

Recientemente se han utilizado concretoslanzados con bras de refuerzo para mejorar sudureza y resistencia, y evitar el agrietamiento. Elespesor de la pantalla de concreto generalmentevara entre 15 y 30 centmetros. En ocasiones,se han utilizado clavos con pantalla de concretoprefabricada por segmentos.

Geodren planar . Con frecuencia se coloca ungeodren planar entre el suelo y la pantalla deconcreto armado. Este geodren planar es ungeocompuesto de una geomalla con dos capas de

geotextil no tejido. El geodren ayuda a drenar elagua que se acumula detrs de la pantalla. Losgeodrenes deben traslaparse para garantizar lacontinuidad del drenaje hacia abajo.

El espaciamiento de los geodrenes verticales esgeneralmente el mismo de la separacin horizontalde los clavos. Se recomienda colocar un geodren de30 a 40 centmetros de ancho en forma vertical a lolargo de la totalidad de la altura del muro, en lossitios intermedios entre clavos. La parte inferiorde los geodrenes entrega a un subdrn de zanja en

el pie del muro.

Lloraderos y sistema de fltro en el pie . Adicionalmente al geodren planar, se requiereconstruir un subdren en el pie para recolectar lasaguas del geodren y conducirlas a un sistema dedrenaje. Del mismo modo, se recomienda colocarlloraderos en la placa de concreto armado.

Los lloraderos consisten en ductos en tuberaPVC de dos a cuatro pulgadas atravesando la placa,los cuales se colocan formando una cuadrcula ental forma que el agua pueda salir a la super ciedel muro. El espaciamiento de los lloraderos essimilar al de los clavos, colocndolos en los puntosintermedios entre los refuerzos.

En ocasiones no se permite la colocacin delloraderos de acuerdo al objetivo de la estructurade contencin.

Subdrenes horizontales. Adicionalmente a losgeodrenes y al dren de zanja en el pie del muro,se acostumbra instalar subdrenes horizontalesprofundos para el control de los niveles freticos yevitar que se sature el rea con refuerzos de clavos(Figura 5.11).

Drenaje superfcial. Se recomienda laconstruccin de un canal interceptor arriba delmuro y de otro canal en el pie del muro, con elobjeto de controlar las aguas de escorrenta.

Figura 5.12 Procedimiento tpico de la construccin de excavaciones utilizando pantallas de clavos (Porter eld yotros, 2004)

Paso 4. Apoyo de lapantalla e instalacin

Revestimiento temporalGeodrn

planar

BarraLechadaZanja

Paso 3. Instalacin ylechada de nail

Paso 1. Excavacinpequea

Plataforma

Soporte de excavacin

1-2m

Paso 2. Taladrar elagujero para el clavo

1

2

3

4

Paso 5. Construccin delos siguientes niveles

Paso 6. Colocar el revestimientofinal permanente del muro

Punta delSubdrn

Revestimientofinal

Subdrnplanar


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Procedimiento de excavacin con clavosLa secuencia de excavacin de arriba haciaabajo para pantallas con clavos es la siguiente(Figura 5.12)):

Excavacin. Se hace una excavacin inicialcuya profundidad vara comnmente de dosa tres metros. Esta excavacin no debe teneruna longitud superior a cinco metros en elsentido longitudinal del muro.

Perforacin. Se perforan los huecos de lalongitud, dimetro, inclinacin especi cadossobre el talud excavado.

Colocacin del refuerzo e inyeccin. Secolocan las varillas y se inyecta la lechada.Se deben utilizar centralizadores de plsticopara garantizar que el refuerzo no tengacontacto directo con el suelo y se mantengaen el centro de la perforacin. La inyeccin secoloca generalmente por gravedad o con unapresin baja.

Colocacin de geodren y el refuerzo. Una vezinyectados los clavos, se coloca el geodrenplanar y el refuerzo de acuerdo al diseo. Sedeben dejar traslapos en los refuerzos de lapantalla para la continuacin posterior delmuro tanto lateralmente como hacia abajo.

Colocacin del concreto. El concreto puedecolocarse lanzado o fundido utilizandoformaleta.

Construccin de los siguientes niveles. Despus de fundida la pantalla se procedea excavar lateralmente otros tramos delmuro. Posteriormente se puede proceder a laexcavacin hacia abajo del segundo nivel y asconsecutivamente siguiendo el procedimientoindicado.

Ensayos de carga de clavosLos ensayos de carga en clavos se realizangeneralmente, con el objeto de veri car que serealiz la perforacin, instalacin e inyectado enforma adecuada. El nmero de ensayos dependedel tamao del proyecto y de las diferencias en elterreno y en el diseo. La FHWA sugiere ensayarhasta el 5% de la totalidad de los clavos.

Para el ensayo se utiliza un gato como se indicaen la gura 5.13 y se miden las deformaciones amedida que se coloca la carga. En ningn casoel tendn debe esforzarse a ms del 80% de laresistencia de la varilla de acero. El ensayopermite cuanti car la adhesin entre la lechada yel suelo, y generalmente se le aplica hasta un 120%de la carga de adherencia especi cada, aunque enocasiones se ensaya hasta el 150% de la carga deadherencia de diseo.

Figura 5.13 Esquema de un ensayo de carga de un clavo (Porter eld y otros, 1994).

D deperforacin

Seccin libre

Lechada derevestimiento

Centralizador

Lechada

Revestimiento enconcreto

Apoyo gato

Acerotendn

Gatohidrulico

Elementode carga

Placa de referencia

Medidor

Lo n g i t u d d e l c l a v o


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Como criterio para la aceptacin de los clavos losdesplazamientos deben ser pequeos y no debeocurrir falla de extraccin. No existe un criteriouniversalmente aceptado sobre el desplazamientopermitido en el ensayo de carga (Porter eld yotros, 1994).

Clavos hincadosEn los Estados Unidos se utilizan con relativafrecuencia los clavos hincados. Estos consistengeneralmente en varillas de acero de 1.5 pulgadasde dimetro y hasta 6 metros de longitud, loscuales se colocan utilizando un martillo montadosobre una excavadora (Figura 5.14).

Los clavos se hincan generalmente en formanormal al talud. El sistema de clavos hincadoses efectivo solamente para movimientossubsuper ciales de suelo y comnmente solo seutilizan para obras temporales.

La principal ventaja de este sistema es surapidez de aplicacin y su desventaja ms notoriaes la incertidumbre de su efectividad, teniendo encuenta su pequeo dimetro. (Cornforth, 2005).

Estructuras especialesExisten algunos casos en los cuales se requierenalgunas variantes en el diseo de clavos. Algunasde estas variantes son las siguientes:

Estructuras con gradas. En algunos casospuede requerirse el utilizar gradas o bermaspara formar la estructura de clavos condesplazamientos horizontales entre seccionesde muro (Figura 5.15).

Figura 5.14 Esquema de la colocacin de clavoshincados (U.S. Forest Service, 1994).

En este caso se debe realizar un anlisisindependiente de cada una de las seccionesde muro o gradas y el anlisis general totalde la estructura.

Estructuras compuestas. Las estructurascompuestas consisten en combinaciones declavos con anclajes pretensados o con otro tipode tecnologa de estabilizacin. Generalmente,el objetivo de colocarle anclajes, es contribuiren forma signi cativa a la estabilidad globaldel talud y reducir la deformacin del muro.Este sistema es frecuente en muros de granaltura donde la estructura de clavos no essu ciente para garantizar la estabilidad deltalud y se requieren elementos adicionales(Figura 5.16).

Los anclajes deben colocarse en la partesuperior del muro por encima del sistema declavos. En el diseo, la zona estabilizada conclavos se puede considerar como un bloquergido para el diseo de los anclajes y serealizan anlisis combinados o separados paradeterminar las condiciones de estabilidad.No es recomendable el intercalar anclajesdentro de la masa de clavos para evitar eldistensionamiento de los clavos y en estaforma se pueda disminuir su e ciencia.

Figura 5.15 Estructura de clavos en gradera (Byrney otros, 1998).

Superficie existente

Zanja de concreto

RevestimientoSuperficie original

Placa en concreto

Parte inferior del muro

Clavo

pie del dren

Geodrn planar

Sv 15

Svo

H2

H1

Parte superior del muro

Clavo


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Figura 5.16 Estructura compuesta de clavos y anclajes(Byrne y otros, 1998).

Clavos y malla. En este caso la pantallasuper cial se remplaza por una malla dealambre galvanizado. Esta metodologa seutiliza cuando el talud es un macizo de rocafracturada y no es conveniente la construccinde una pantalla. La malla acta como unelemento para evitar cados de roca, y los clavoscomo un sistema de pernos (Figura 5.17).

Cargas de tensin en los clavosLos clavos son considerados como elementos pasivosdentro del suelo y es el movimiento del suelo el quegenera esfuerzos dentro del clavo, el cual trata deimpedir el desplazamiento del suelo.

Los anlisis tericos y las mediciones en campohan demostrado que el clavo desarrolla una fuerzade tensin, la cual va aumentando a medida quese profundiza el refuerzo dentro del talud paradisminuir nuevamente en el tramo nal (Figura5.18).

Las tensiones mximas para los clavos en laparte superior de un muro ocurren a una distanciade aproximadamente 0.3 a 0.35H, donde H es laaltura del muro. En la prctica esta lnea separala parte activa de la parte pasiva del sistema talud-refuerzo. En el anlisis de un talud cualquiera, lastensiones mximas se presentan en el cruce de lasuper cie de falla potencial de acuerdo al anlisisde estabilidad de taludes por equilibrio lmite.

Los refuerzos de los clavos trabajan con lacabeza sosteniendo la pantalla super cial. Laspresiones de tierra que actan sobre la pantallainducen esfuerzos de tensin sobre los clavos.

La magnitud y localizacin de los esfuerzos detensin mximos en el refuerzo estn relacionadoscon la rigidez de la pantalla super cial. Si no secoloca pantalla, la localizacin de las fuerzas detensin y de la super cie de falla crtica potencialvaran como fue demostrado por Sivakumar-Babuy otros (2002) en modelos reales (Figura 5.19).

Figura 5.17 Procedimiento de estabilizacin utilizandoclavos y malla.

Figura 5.18 Cargas de tensin en los clavos paraexcavaciones de arriba hacia abajo (Cornforth, 2005).

Malla galvanizada

Clavos

Platinas

20

2016

1310

1

3

Tubera

Bulbos

10

L=15m

H= 28m

Anclajes pretensados en laparte superior del muro

Clavos

Anclajes

HRevestimiento

Zona activa

Lnea mxima de tensin(Tmax)

B

Clavo

Distribucin de tensina lo largo del clavo

Zona de resistencia

AC

0.30-0.35H


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Tabla 5.1 Detalles de los diferentes mtodos de diseo de estructuras claveteadas (Elas y Juran, 1991)

Detalles

Mtodofrancs

(Schlosser,

1983)

Mtodo Alemn(Stocker,

1979)

MtodoDavis(Shen,

1981)

Mtodo Davismodifcado

(Elas y Juran,

1988)

Mtodocinemtico

(Juran, 1977)

AnlisisEquilibriolmite de

momentos

Equilibriolmite defuerzas

Equilibriolmite defuerzas

Equilibrio lmitede fuerzas

Anlisis deesfuerzo

de trabajo(estabilidad

local)

Propiedadesde entrada

Suelo:(c,)Fuerzas lmitede los Clavos.

Rigidez

Suelo:(c,)Friccinlateral

Suelo:(c,)Fuerzas

lmite de losClavos

Fr. Lateral

Suelo:(c,)Fuerzas lmitede los Clavos

Friccin Lateral

Suelo:(C/ H, )Parmetro N

Fuerzas en losClavos

Tensin, corte,momentos Tensin Tensin Tensin

Tensin, corte,momentos

Super cie defalla Circular Bilineal Parablica Parablica

EspiralLogartmica

Mecanismo deFalla Combinada Pull - out Combinada Combinada No aplicable

Factor deSeguridad aresistencia delsuelo

1.51.0

(ResistenciaResidual)

1.5 1.0 1.0

Resistencia alarrancamiento 1.5 1.5 2.0 1.5 2.0 2.0

NivelesFreticos S No No No S

Geometra dela Estructura Cualquiera Inclinada o Vertical Vertical Inclinada o Vertical Inclinada o Vertical

Estrati cacin S No No No S

ResultadoFactor de

Seguridad desuper cie de

falla

Factor deSeguridad desuper cie de

falla


falla


falla

Fuerzas enlos clavos y

super cie defalla


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Figura 5.19 Fuerzas de tensin medidas en lostendones de los clavos. (a) Con pantalla en la super cie.(b) Sin pantalla en la super cie (Sivakumar-Babu yotros 2002).

Las tensiones son mayores en los clavos superioresy van disminuyendo hacia abajo cuando se colocanen excavaciones progresivas de arriba hacia abajo.La tensin en los clavos aumenta a medida que

avanza un proceso de excavacin por etapasy la tensin es mxima al nal del proceso deexcavacin. El proceso de excavacin determinalas tensiones sobre los clavos. Sin embargo, enuna gran cantidad de situaciones las tensiones sonmayores en los clavos inferiores, dependiendo de lascaractersticas del suelo, el proceso de excavacin yla secuencia de colocacin de los clavos, la rigidez dela pantalla super cial, la inclinacin del muro y delos clavos, y de las caractersticas de la estructurade clavos (Sivakumar-Babu y otros, 2002).

Anlisis y diseo de estructurasclaveteadasEl diseo incluye el refuerzo, espaciamiento,tamao, y longitud de los clavos y el diseo derecubrimiento de la super cie. No existe unametodologa universalmente aceptada para eldiseo de estructuras de clavos. El diseo detaludes con clavos generalmente se basa en anlisisde equilibrio lmite calculando factor de seguridad.

Metodologas de diseo.En cada pas se acostumbran o se especi canmtodos diferentes. Los mtodos de diseo msconocidos son los de Davis (Shen y otros, 1981),el mtodo alemn (Gassler Gudeus, 1981; Stockery otros, 1979), el mtodo francs (Schlosser,1983) y los mtodos de los programas SNAIL y

GOLDNAIL (Lazarte y otros 2003), los cuales sontodos mtodos de equilibro lmite.

Un mtodo ms complejo y difcil de anlisises el basado en los sistemas de comportamientode los muros MSE. Otro sistema es el mtodocinemtico de Juran (1977). El mtodo cinemticoes muy difcil de usar, debido a que le da un nfasismuy grande a la rigidez del clavo. En el presentetexto no se explica en detalle todos estos mtodos yse recomienda ir directamente a las referencias.

Es importante que se tenga en cuentaque la mayora de los mtodos tienenalgunas inconsistencias en el anlisis, en elcomportamiento de los clavos y en los parmetrosSin embargo, los resultados son con ables en lamayora de los casos.

Para el diseo del sistema, el Ingeniero puedeescoger el mtodo que considere ms apropiadobasado en su experiencia y sentido comn. Algunos de los mtodos de diseo se presentanen la tabla 5.1.

Mtodos aproximados

Se han propuesto mtodos empricos paradeterminar los parmetros para diseo de clavos.

Tabla de Bruce y JewelBruce y Jewell (1987) propusieron unatabla para diseo preliminar de estructurasclaveteadas (Tabla 5.2).

a) Con pantalla

b) Sin pantalla

15

15


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Gr cas de la FHWALa FHWA (Lazarte y otros, 2003) elaboruna serie de gr cas de diseo que permitendeterminar la longitud y las tensionesmximas en los clavos para ciertos casosespeciales. Estas gr cas solo son aplicablesa las condiciones para las cuales fueronutilizadas y solo deben utilizarse como unvalor preliminar que permite suponer undiseo para comprobacin y no para diseodetallado.

En las gr cas se supone un suelo homogneocon un determinado ngulo de friccin y unascondiciones topogr cas del muro y del taludarriba de este. Las gr cas pueden consultarseen la circular de Ingeniera Geotcnica No.7de la FHWA (Lazarte y otros, 2003). En lagura 5.20 se muestra una de estas gr cassolamente como referencia.

Software para el diseo de clavosEn la mayora de los proyectos, los clavos se estndiseando utilizando programas de softwarey el mtodo que se utilice es el mtodo que estintegrado dentro del software.

Tabla 5.2 Parmetros para diseo preliminar detaludes con clavos (Bruce y Jewell 1987).

Tipos deClavos ysuelo

Parmetros de diseo

L/H DL/s d 2/S

Clavosperforados einyectadosen suelosgranulares

0.5- 0.8 0.5- 0.6 (4-8) x10-4

Clavoshincadosen suelosgranulares

0.5- 0.6 0.6- 1.1 (13-19)x 10-4

Clavos enmorrenas ogredas

0.5- 1 0.15- 0.2 (1- 2.5)x 10-4

L= Longitud del Clavo; H= Altura del muro,D= Dimetro de la perforacin, d= Dimetro dela varilla del Clavo, S= rea por Clavo.

Como se indic anteriormente, las prcticas dediseo varan de pas a pas y no hay un estndarinternacionalmente aceptado.

En los Estados Unidos existan en el ao 2008dos programas de computador utilizados en formamasiva. Estos programas son los siguientes:

SNAIL. Este programa fue desarrolladopor el Departamento de Carreteras deCalifornia en 1991 y se encuentra disponiblegratuitamente en Internet, el cual utilizamtodos de equilibrio lmite y solamentesatisface equilibrio de fuerzas. Se requiereincluir la inclinacin, dimetro, espaciamientoy resistencia de los clavos, el cual se puedeaplicar para todos los clavos o para algunosclavos en particular y e l programa calcula los

factores de seguridad. GOLDNAIL. Este programa fue desarrollado

por la rma Golder Associates, es utilizadopor varias rmas de consulta multinacionalesy tiene muchas ms utilidades que el SNAIL.El programa trabaja en tres modos: diseo,factor de seguridad y utilidades de carga delos clavos. El anlisis permite ir modi candolas propiedades de los clavos. Sin embargo,los clavos deben tener el mismo espaciamientoe inclinacin. El programa puede adems

analizar varias posibilidades de presin detierras.

Los dos programas de diseo solo tienen en cuentalas resistencias de tensin en los clavos. Losprogramas de software tienen en cuenta fallasinternas, externas y combinadas. En los anlisis nose tiene en cuenta la contribucin de los momentosde exin y de cortante, los cuales en el criterio deCornforth (2005) solo aportan un 2% aproximadode resistencia adicional.

Uso de software de equilibrio lmite yelementos fnitosEs una prctica aceptada de ingeniera el diseode estructuras de clavos y pantallas ancladasutilizando los paquetes de software de estabilidadde taludes por equilibrio lmite o de elementosnitos (Por ejemplo, SLOPE/W y PLAXIS).Para el anlisis y diseo se utilizan los clculosconvencionales de estabilidad de taludes,incluyendo los efectos de los refuerzos comosubrutinas dentro del software.


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Figura 5.20 Ejemplo de una gr ca para determinar la longitud y tensiones mximas sobre clavos (Lazarte y otros,2003).

0 0.1 0.2 0.3 0.4

0.1

0.2

0.3

0

0.5

1

1.5

Fuerza de adherencia normalizada

F u e r z a m

x i m a p a r a e

l d i s e

o p a r a

F s =

1 . 0

t m a x - s

L/H

Angulo de friccin27

31

35

32

b) Fuerza de diseo

a) Para calcular L

0

qa DDH)/( S HS v)

qa =q u/FSp

C* = c / Htmax-s = carga mxima dediseo

tmax-s = Tmax-s / S HS V

qa DDH / SH SV

qa = Adherencia (de tablas)

DDH= Dimetro de perforacin

H

Sv

L

c,

C* = 0.02

FS= 1.35

DDH= 100mm


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En el caso de los programas de equilibrio lmite seasume que el refuerzo acta solamente a tensin.La principal limitante de estos mtodos es queasume la misma contribucin de refuerzo paracada anclaje en la zona resistente, cuando en laprctica puede fallar primero un clavo y los demsfallar en forma progresiva.

Los mtodos de elementos nitos analizanms realmente el comportamiento del muro. Sinembargo, el uso de elementos nitos en el diseode clavos es complejo y requiere de anlisis en tresdimensiones (3D).

Componentes del diseo de clavosEl diseo de clavos tiene los siguientescomponentes:

Dimetro de la perforacin. Se requieredeterminar el dimetro, localizacin,inclinacin y caractersticas de lasperforaciones.

Seccin del refuerzo. La varilla de acero debeser capaz de soportar la carga mxima atensin sin romperse.

Longitud de los clavos. La longitud del clavopor detrs de la super cie potencial o real defalla debe ser su ciente para que no ocurra

extraccin del clavo.

Figura 5.21 Anlisis tpico para el diseo de un clavo(Cornforth, 2005).

Resistencia de la cabeza. El anclaje y lapantalla en la super cie deben ser capacesde soportar la carga sin que ocurran fallas alcortante o hundimientos excesivos del muro.

Resistencia del muro entre clavos. El muroo pantalla entre clavos debe tener su cienterefuerzo capaz de soportar la carga o presionesde tierra ejercidas por el suelo sobre laestructura de contencin.

Figura 5.22 Valor de 1 de acuerdo a la altura del muro (Byrne y otros, 1998).

Zona deresistencia

Zona activa

Lnea de mxima tensin (T max )

S x

Dimetro Ddel clavo

S x

F

S x

LR

Tmaxx

E

S V

S x

B

C A

S x= s v cosPara = 15S x=0.97 S v

0 0.2 0.4 0 0.8 1.0 1.2 1.41.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Carga mxima normalizada = Tmax / KA H S H S V

L /

H ( L o n g i t u d c l a v o / a l t u r a d e l m u r o )


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Estabilidad general del talud. El factor deseguridad del talud debe ser su ciente paraque no ocurra falla o desplazamientos nodeseados.

Deslizamiento en la base del muro. Elsistema suelo-clavos debe tener capacidadal deslizamiento suponiendo que actamasivamente como una gran estructura degravedad en forma similar al comportamientode los muros tradicionales.

Volteo. Debe comprobarse que no ocurre fallaal volteo de la masa suelo-clavos.

Capacidad de soporte. Aunque la posibilidadde falla por capacidad de soporte no espreocupacin, en la mayora de los casoseventualmente podra requerirse comprobarque la capacidad de soporte es su ciente.

Carga mxima que soporta un clavo T mSe puede suponer que cada clavo o refuerzo leprovee resistencia a la tensin a un volumen desuelo igual al producto del espaciamiento verticalSv por el espaciamiento horizontal Sh y por lalongitud del clavo como se muestra en la gura5.21 (Cornforth, 2005).

Figura 5.23 Ejemplo de un muro de clavos (WashingtonState Departament of Transportation).

La tensin mxima sobre un clavo est dada porla expresin:

Donde:T max = Tensin mxima en un clavo.

K A = Coe ciente de presin activa. = Densidad del suelo.S v = Espaciamiento vertical de los clavos.S h = Espaciamiento horizontal de los clavos.H = Altura total del muro. 1= Factor adimensional.

El factor adimensional 1 vara de 0.4 a 1.1 dentrode los dos tercios a tres cuartos de la altura delmuro con un valor medio de 0.75 (Figura 5.22).

Por debajo de este nivel las cargas sobre losclavos disminuyen signi cativamente para serprcticamente cero en la base del muro.

Tipo de material q u (kPa)

Limo no plstico 21 a 30 Arena limosa o arena densa 50 a 75

Grava areno limosa densa 80 a 100Grava areno limosa muydensa 120 a 240

Loess 24 a 75 Arcilla dura 42 a 60Limo arcilloso duro 42 a 100 Arcilla arenosa dura 110 a 200Caliza 300 a 400Filita 100 a 300Creta 500 a 600Dolomita blanda 400 a 600Dolomita dura 600 a 1000 Arenisca meteorizada 200 a 300Lutita meteorizada 100 a 150Esquisto meteorizado 100 a 170Basalto 500 a 600

Tabla 5.3 Esfuerzo ltimo de resistencia en el permetrodel clavo (Byrne y otros, 1998).

1mx A h vT K HS S =

(Excavacin Nivel 1)

(Excavacin Nivel 2)

Nivel final

Pared deconcreto

Dren prefabricado

Sello de asfalto

0.6 m.

0.23 m.

Canal de concreto

Centralizadores, 2.4 m apartey 0.6 m de cada extremo

Empalme de laconstruccin

Placa deacero

Refuerzo deacoplamientodel cable

15 ( Tpico)

Lloradero

Barrera del trfico

Encofrado temporal dehormign armado en la parte

superior de la pared.

Lechada


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Figura 5.24 Construccin tpica de una excavacin con clavos (Byrne y otros, 1998).

Carga que soporta la cabeza del clavoLa carga en la cabeza del clavo puede obtenerseutilizando la ecuacin:

Generalmente se acostumbran espaciamientos,longitudes y dimetros iguales para todos losclavos en un muro. Esto hace ms fcil el diseoy la construccin (Byrne y otros, 1998).

Resistencia a la extraccinDe acuerdo a las investigaciones realizadaspor Clouterre (1991), la resistencia ltima a laextraccin Q es relativamente independiente dela profundidad donde se encuentra el clavo pordebajo de la super cie del terreno, esto se debea la dilatacin del suelo en el momento en que serealiza la perforacin.

Para el clculo de la resistencia a la extraccindel clavo por detrs de la super cie de fallasupuesta o real, est dada por la expresin:

Donde:

Q = Resistencia total ltima al arrancamientoq u = Esfuerzo de resistencia al arrancamientopor unidad de longitud de clavod = Dimetro de la perforacinLR = Longitud del clavo por detrs de lasuper cie de falla.

Los valores de q u para diferentes tipos de roca ysuelo se presentan en la tabla 5.3.

Anlisis ssmicoLa evaluacin del comportamiento ssmico delmuro de clavos es extraordinariamente importante,aunque se conoce que estos muros se comportanmuy bien en el caso de sismos (Felio y otros, 1990;Tatsuoka y otros, 1997, Tufenkjian, 2002).

El mtodo ms utilizado de anlisis es elseudoesttico en el cual se suponen unas fuerzashorizontales y verticales estticas. En el casode clavos generalmente se utiliza un coe cientehorizontal kh siguiendo los criterios de la AASHTO(1996). En trminos generales, es aceptable utilizarun coe ciente ssmico entre los siguientes valores:

Donde: A

m = (1.45 A) A

A = Aceleracin pico en la super cie del terrenoen funcin de la gravedad (g)

Los valores de A se toman de cdigos locales o deestudios ssmicos del sitio. Este rango de valoresde k h es conservador y produce deformacionestolerables en taludes (Kavazanjian y otros, 1997).Otra posibilidad es analizar la estabilidad deltalud utilizando el sistema de Newmark paracalcular las deformaciones post-sismo.

0 5 F A h vT K HS S =

u RQ q dL =

0 5 0 67h m mk A a A=

Nivel 1 Nivel 1Nivel 1

Nivel 2Nivel 4

Nivel 1

Nivel 2

Nivel 3

Nivel 4

Excavacin sin apoyo

Corte y excavacinpequea

Taladrar el agujero para elclavo

Instalacin del clavo ylechada

Malla y concreto lanzadoRepetir el proceso hasta elfinal


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Los detalles de este mtodo se pueden consultar enlas referencias de Kramer (1996) y Kavazanjian yotros (1997).

Anlisis de estabilidad al deslizamiento Adicionalmente a los anlisis de los refuerzosinternos del muro de clavos, se requiere realizarun anlisis de la estabilidad del talud global, elcual permite calcular el factor de seguridad dela masa de suelo despus de colocados los clavoso determinar la carga T , que se requiere de losclavos para obtener un determinado factor deseguridad.

Para este anlisis se utilizan programasde software de estabilidad de taludes, perogeneralmente estn incluidos en los programasespec cos para diseo de clavos como SNAIL y

GOLDNAIL.Factores de seguridadEl factor de seguridad a utilizar en el diseo esdiferente para cada caso y debe ser compatiblecon la utilizacin del muro o pantalla, los riesgosinvolucrados, y si la estructura es permanente oprovisional.

Figura 5.25 Ejemplo de conexin entre el refuerzo y lapantalla utilizados en Estados Unidos (Byrne y otros,1998).

Figura 5.26 Races tpicas de micro-pilotes (Root-piles)

(Lizzi, 1985).

Tabla 5.4 Factores de seguridad mnimos recomendadospara clavos (Byrne y otros, 1998).

El factor de seguridad para rotura de la varilla derefuerzo est dado por la expresin:

Donde: f s = Resistencia a la tensin de la varillad = Dimetro de la varilla

Para calcular el factor de seguridad a extraccinse utiliza la expresin:

Los factores de seguridad mnimos sugeridos sepresentan en la tabla 5.4.

Tipo de falla Factor de seguridadrecomendado

Deslizamiento por labase 1.5

Estabilidad generaldel talud esttica 1.5

Estabilidad generaldel talud ssmica 1.3

Capacidad de soporte 2.5

Extraccin delrefuerzo 2.0

Falla a tensin delrefuerzo 1.67

2

4 s

mx

f d F

T

=

R u

mx

dL q F

T

=

Dren verticalprefabricado

Hormign

Lechada

Hormign armado0.10 m.de espesor

Centralizador, sostienela barra en el centro del

agujero

Barras de acero (4 #4),

extendiendas

Placa de acero0.25X0.25X0.015 m

con agujero

Nail que sobresalgapor lo menos 0.30 mde la cara del sueloantes del concreto

Tuerca esfrica conarandela biselada

Malla electrosoldada0.07 m. de la cara del

suelo con el espaciador

Superficie de falla


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Fotografa 5.1 Nails o clavos. Fotografa 5.2 Micropilotes


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Tabla 5.5 Pasos a seguir en el diseo de muros de clavos (Modi cado de Lazarte y otros, 2003).

Paso 1

Consideraciones o suposiciones iniciales para el diseo. Esquemas del muro (altura, longitud, seccin y alzada). Espaciamiento horizontal y vertical de los clavos. Patrn de los clavos sobre la cara del muro (cuadrado, triangular u otro). Inclinacin de los clavos. Longitud y distribucin. Tipo de varilla y grado.

Propiedades del suelo (resistencia y nivel de agua). Otras consideraciones pertinentes

Paso 2Diseo preliminar utilizando grfcos o mtodos heursticosSe determinan longitudes requeridas y cargas mximas sobre los clavos comouna gua para el diseo nal.

Paso 3

Diseo fnal Anlisis de falla externa (estabilidad global, deslizamiento y capacidad de

soporte). Anlisis ssmico. Anlisis de estabilidad interna (extraccin y rotura de los refuerzos).

Diseo de la fachada del muro (cabeza del clavo, tipo y espesor del muro,materiales, resistencia a la exin, punzonamiento, etc.).

Paso 4

Determinar las deformaciones mximas en el muroLas deformaciones se estiman de acuerdo al tipo de suelo y la altura del muro. Adicionalmente en zonas ssmicas se requiere calcular la deformacin por elmtodo de Newmark.

Paso 5Diseo de otros elementosDrenaje, subdrenaje y protecciones.

Pasos para el diseo de estructurasclaveteadasEl diseo de clavos requiere un anlisis paso porpaso, en tal forma que se puedan determinar loselementos que componen el muro y se compruebenlos factores de seguridad. El diseo debe tener encuenta el sistema de construccin y los detalles delos diversos elementos (Figuras 5.23 a 5.25). Enla tabla 5.5 se presentan los pasos a seguir para eldiseo de muros de clavos.

MICROPILOTES

Los micro-pilotes reticulados fueron desarrolladosen Italia y se utilizan para crear bloques rgidosmonolticos, reforzados a profundidades por debajode la super cie de falla crtica. Los micropilotes

son muy similares a los sistemas de clavos.

La diferencia principal entre los micro-pilotesreticulados y el Nailing, es que el comportamientode los micropilotes est in uenciado en formasigni cativa por su arreglo geomtrico.

Los micropilotes se les denomina confrecuencia pilotes reticulados o pilotes de razpara presentarlos como una analoga del efecto delas races de un rbol dentro del suelo. Ensayosde campo y modelos de laboratorio (Lizzi 1985)han demostrado que el trabajo en grupo delos micro-pilotes reticulados genera capacidadesmayores de soporte que grupos de pilotes verticalesespaciados.

Los micropilotes son perforaciones de pequeodimetro dentro de las cuales se coloca un refuerzode acero y se inyecta lechada a presin para formarun pilote.


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Figura 5.27 Grupo de micro-pilotes para estabilizar eltalud de una carretera (Cornforth, 2005).

Las cargas son transportadas por la friccinentre el suelo y la lechada, y los refuerzos puedentransmitir fuerzas de tensin y de compresin. Losmicro-pilotes varan comnmente desde 4 a 10pulgadas de dimetro y longitudes entre 20 y 30metros, y son capaces de transmitir cargas hastade 100 toneladas a tensin o compresin.

Debido a la gran longitud de los elementoscomparada con los dimetros; la carga y losesfuerzos son soportados no solamente por elelemento en s, sino tambin por el suelo a sualrededor. Los micro-pilotes pueden construirseen prcticamente todo tipo de suelos. Losmicro-pilotes en una estabilizacin tpica dedeslizamientos se instalan a varios ngulos con lavertical como se indica en las guras 5.26 y 5.27.Los pilotes no reciben carga directa, pero formanuna infraestructura interna dndole coherencia ala masa de suelo.

Tipos de estructura de micro-pilotesExiste una gran cantidad de tipos de estructura demicropilotes (Figuras 5.28 a 5.30). Desde el puntode vista de anlisis, los micro-pilotes pueden serdiseados como dos tipos de estructura:

Estructura convencional de pilotes. Lospilotes actan en forma independiente o en grupodentro de la masa de suelo.

Figura 5.28 Estabilizacin de taludes con micro-pilotes(Armour y otros, 2000).

En este caso los pilotes se disean para soportarcargas de tensin y compresin. Para el caso dedeslizamientos este tipo de pilotes son demasiadoesbeltos para generar una resistencia signi cativasobre la super cie de falla.

En este orden, son comparables a losclavos y generan principalmente resistencia alarrancamiento. Los ngulos semi-verticaleso de fuerte inclinacin a los cuales se colocanlos micro-pilotes, generalmente no son muye cientes. Los micro-pilotes que actan en formaindependiente solo son tiles para deslizamientosrelativamente pequeos a medianos o cuando serequiere solamente un mejoramiento marginal enla estabilidad.

Suelo

Roca

Micro-pilotesreticulados

Placa de concretoarmado

Superficie derodamiento

Placa de concreto armado

Suelo

Roca de Fondo Micropilotes

Superficie deDeslizamiento

Va

a) Caso 1: Micropilotes para estabilizar deslizamientos

Placa de concreto

Revestimientode la Pared

Excavacin

Sobrecarga

Micropilotes

Masa Reforzadadel Suelo

b) Caso 2: Micropilotes para permitir excavacin


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Figura 5.29 Secciones tpicas de micro-pilotes(Cornforth, 2005)

Figura 5.30 Micro-pilotes no reticulados para laestabilizacin de deslizamientos (Ueblacker, 1996;Bruce, 1988).

La relativa ine ciencia de los micro-pilotes puedecorregirse utilizando un nmero grande de micro-pilotes o seleccionando tubos de acero en remplazode las barras de refuerzo. Para este caso seacostumbra a analizarlos en forma similar a losclavos. Si el pilote es un tubo puede analizarsecomo un pilote de cortante.

Compuesto suelo-pilotes. La masa que integralos pilotes funciona como estructura de gravedad.Este caso de estructura de micro-pilotes reticulada(Figura 5.31), es muy til para estabilizacinde deslizamientos. No existe un procedimientouniversalmente aceptado para el diseo de estetipo de micro-pilotes. Si se asume la masa de suelocomo una estructura de gravedad garantizandola estabilidad interna con los refuerzos, puedeanalizarse como una masa a deslizamiento, avolteo y a estabilidad general del talud.

El nmero de pilotes que se requiere para amacizarel suelo se determina a criterio heurstico. Lamasa con micro-pilotes debe extenderse por debajodel pie del talud para generar fuerzas pasivas.

En todos los casos los micro-pilotes debenextenderse por detrs de las super cies de fallao bloques activos de acuerdo a los anlisis deestabilidad.

Ventajas de los micro-pilotes Algunas de las ventajas de los micro-pilotes sonlas siguientes (Abramson y otros 2002):

No requieren grandes excavaciones desuelos.

Pueden utilizarse en suelos duros, en suelosblandos y en materiales con bloques de roca.

No impiden el movimiento de las corrientesde agua.

0.13 a 0.23 m

Lechada

Lechada

Acero derefuerzo(Tpico de 1 a2.5 pulg. de D)

Tubo de Acero(Tpico de 0.10a 0.18 m de D)

0.13 a 0.23 m

a) Varilla de acero

b) Tubera

Relleno Estructural

Micro-pilotes

Dren

Revestimientotemporal dehormign

Viga

Revestimientopermanente 0.30 m

2616

9

1.5 m(min.)

0.9 m

Casquillo deconcreto

Micro-pilotes de0.14 m. de D

Roca de fondo

Micro-pilotes en rocade 0.11 m de D.

Losa de 0.15 m


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Figura 5.31 Ejemplo del uso de micro-pilotes reticuladospara la estabilizacin de taludes (Palmerton, 1984).

Pueden disearse para contrarrestarcualquier sistema de fuerzas internas.

Son relativamente fciles de construir.

Tienen una gran cantidad de aplicaciones:estabilizacin, retencin, mejora del suelo,cimentacin y submuracin.

Figura 5.32 Secuencia tpica de la construccin de un micro-pilote (Armour y otros, 2000).

Desventajas de los micro-pilotesComo desventajas de los micro-pilotes se puedenindicar las siguientes:

La resistencia al cortante de un micro-pilotees muy pequea por su gran esbeltez y rearelativamente pequea.

La capacidad de resistencia horizontal atensin de un micro-pilote inclinado a verticales relativamente pequea.

Para estabilizar deslizamientos de tamaomediano o grande se requiere colocar unagran cantidad de micro-pilotes.

No existen metodologas de diseouniversalmente aceptadas.

Son relativamente costosos. Construccin de los micro-pilotesLa construccin incluye la perforacin, la instalacindel refuerzo, la inyeccin y la construccin de unaestructura super cial de soporte (Figura 5.32).Para la perforacin se pueden utilizar todo tipo deequipos. No es recomendable el uso de bentonita,debido a que se puede formar una torta en la paredque afecta el comportamiento del micro-pilote. Elmedio de excavacin generalmente incluye agua.

Cuestaabajo

Escala enmetros

0 1.5 3.0

1.8 m

Planta

Pila reforzadade 0.13 m. deD.

Planoasumidode falla

0 3.0 6.0

Seccin A DB CEFG G FE`DB` A`

Escala enmetros

Repetir lassecuencias

Comenzar laperforacin y/o la

instalacin delrevestimiento

temporal

Profundidadcompleta de

la perforacin

Remover labarra interna

del taladro

Colocar refuerzo y

lechada

Remover elrevestimiento temporal,inyectar la lechada bajo

presin aplicable

EstratoCompresible

Manto

Lechadaadicional Zapata


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Refuerzos de aceroGeneralmente se utilizan varillas de 1 a 2.5pulgadas de dimetro o grupos de varillas. Seacostumbra colocar centralizadores plsticos paramantener el refuerzo en el centro de la perforacin.

Existen varillas especialmente corrugadas paramicro-pilotes (Figura 5.33).

Los refuerzos de micro-pilotes con tuberametlica son muy utilizados, especialmente parala estabilizacin de deslizamientos, debido a queaportan una mayor resistencia al cortante. Latubera tiene perforaciones para permitir la salidade la lechada hacia su parte externa. Es comntambin la colocacin de varias varillas comorefuerzo o de varillas y tubera metlica como semuestra en la gura 5.34.

Inyeccin de micro-pilotesEl procedimiento de inyeccin es probablementela componente clave del xito de un grupo demicro-pilotes, porque afecta signi cativamente laresistencia entre el micro-pilote y el suelo.

Generalmente, se utiliza lechada de cemento.La relacin agua-cemento vara de 0.45 a 0.50 enpeso y se obtienen resistencias a la compresin decerca de 4.000 psi. No se recomienda la utilizacinde aditivos, pero en ocasiones se requierenplasti cantes especialmente en clima clidos. EnEuropa con frecuencia se le agrega arena en unarelacin 1:1 o 2:1 al cemento. En estos casos serequieren presiones muy grandes de inyeccin yuna mayor relacin agua-cemento cercana a 0.6.

La prctica actual es la inyeccin hasta elrechazo, teniendo en cuenta que entre ms lechadaentra al suelo, el resultado es mayor. Es comn quese dejen mangueras en la primera inyeccin pararealizar posteriormente procesos de reinyeccin.

Figura 5.33 Varillas especiales para uso de micro-pilotes (Dwyidag Systems International).

Figura 5.34 Ejemplo de seccin de micro-pilotutilizando tubera metlica y varillas de refuerzo(Armour y otros, 2000).

Diseo de micro-pilotesEl diseo de micro-pilotes incluye los siguientesprocedimientos:

Realizar un anlisis para determinar elincremento de resistencia al lado de la crisisde falla potencial requerida para obtener unfactor de seguridad adecuado.

Donde:R= resistencia total sobre la super cie crticade falla. A= fuerzas actuantes sobre la mismasuper cie.R= resistencia adicional al cortante queproveen los micro-pilotes.

Chequear el potencial para falla estructuralde los pilotes, debido a cargas de la masa quese mueve utilizando la gura 5.35. Esta gurafue desarrollada por Pearlman y Withiam(1992) con base en la teora desarrollada porFukuoka (1977).

Esta teora se re ere a los momentosdesarrollados en un pilote orientadoperpendicularmente a la super cie de falla,asumiendo una distribucin uniforme develocidades del suelo sobre la super cie defalla.

R R FS

A

+=

Elevacin seccin

Agujero perforadode 0.28 metros de

dimetro

Barra de refuerzo

Lechadacemento

Espaciador ycentralizador

de la barra

Dimetro exterior de 0.24 metros XMarco de acerogrueso de 0.01

metros


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Chequear el potencial de falla plstica delsuelo entre los elementos. Este potencialpuede analizarse con un procedimientodesarrollado por Ito y Matsui (1975).

Basado en esta teora se predicen losresultados de varios espaciamientos de pilotesy condiciones de suelos que se muestran en lagura 5.36.

Determinacin de la fuerza adicional decortante que deben aportar los micro-pilotesLos micro-pilotes en taludes se disean paraprevenir el movimiento hacia abajo de la masa deltalud sobre una super cie potencial de falla. Losmicropilotes deben ser capaces de proveer la fuerzarequerida para estabilizar el talud, o sea la fuerzaque se requiere para incrementar el factor deseguridad de un talud hasta un valor determinado.

Figura 5.35 Gra co para diseo preliminar de resistencia ultima horizontal de micro-pilotes en taludes(Pearlman y Withiam 1992).

Para determinar la fuerza requerida se deberealizar el anlisis de estabilidad en varias etapas.Cada etapa requiere de un clculo o anlisisespec co.

Determinar el sitio donde se van a localizarlos micro-pilotes en el per l del deslizamiento.Los pilotes son ms e cientes en la partecentral o inferior del movimiento.

Determinar el valor de la fuerza requeridapara estabilizar el talud con micro-pilotes enel sitio determinado.

Determinar la estabilidad del talud resultantearriba y abajo de los micro-pilotes.

Determinar si se requieren hileras adicionalesde micro-pilotes y las fuerzas requeridas encada una de las hileras.

R e s i s t e n c i a h o r i z o n t a l l t i m a H u

, K i p s

Coeficiente horizontal de reaccin del estrato superior = Ksup

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 14000

10

20

30

40

50

60

70

80

Estrato inferiror

Estrato superior

Superficie de falla

Pilote

Pilotetipo 1

Pilotetipo 2

Pilotetipo 3

Pilotetipo 40.001

0.01

0.11.00.001

0.001

0.01

0.01

0.1

0. 1

1.0

1.0

K S u p / K I N F = 1. 0

K S U P / K I N F = 0. 1

K S U P / K I N F = 0. 0 1

K S U P / K I N F = 0. 0 0 1

Pilotetipo

AgujeroDa

(Pulg)

Tuboo varilla(Pulg)

Grosor del tubo(Pulg)

Resistenciadel aceroFy (Ksi)

Resistenciadel

concretoFc'(Ksi)

1

234

8

666

7.05.54.09

0.5000.4000.375

N/A

80808080

4444

K= coeficiente de reaccin


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Para determinar el sitio ptimo para lalocalizacin de los micro-pilotes se realiza anlisisde estabilidad colocando un pilote supuesto en undeterminado sitio y calculando la fuerza de cortanteque se requiere para obtener el factor de seguridadrequerido. Se repite el anlisis para otros sitioshasta obtener en cul sitio la fuerza requeridade cortante es menor (Figura 5.37). La fuerzade cortante obtenida en el anlisis anterior es lafuerza requerida a cortante que debe ser aportadapor la hilera de micro-pilotes. Generalmente elmejor sitio para localizar la hilera de micro-pilotesse encuentra muy cerca al centroide de la masadeslizada.

Si ya se ha determinado previamente lalocalizacin de la hilera de micro-pilotes, se realizael anlisis de estabilidad y se calcula la fuerzade cortante que se requiere en un pilote verticalsupuesto localizado en el sitio determinado.En todos los casos es importante analizar laestabilidad del talud, tanto arriba como abajo dela hilera de micro-pilotes para determinar si serequieren hileras adicionales.

Transferencia de carga en los micro-pilotesLos micro-pilotes resisten las fuerzas deinestabilidad del talud utilizando una combinacinde fuerzas axiales desarrolladas en la interfaceentre el micro-pilote y el suelo, tanto arriba comoabajo de la super cie de falla.

El movimiento lateral mximo del micro-pilote seasume que ocurre cerca a la super cie de falla realo potencial (Figuras 5.38 y 5.39). Del mismo modolos esfuerzos de traccin sobre el micro-pilote sonmayores cerca a la super cie de falla.

La capacidad individual de un micro-piloteaumenta signi cativamente construyendo losmicro-pilotes inclinados con relacin a la super ciecrtica real o potencial de falla. Si el micro-pilote estinclinado, existir una tendencia al arrancamientodel pilote, lo cual da como resultado una fuerzaaxial de tensin. En ciertos casos tambin sepueden producir fuerzas axiales de compresin.Estas fuerzas son movilizadas por la resistencialateral en la interface micro-pilote-suelo.

Figura 5.36 Gr cos para esfuerzos ltimos de trasferencias del suelo a los micro-pilotes contra resistencia alcortante del suelo (Pearlman y Withiam 1992).

Angulo de friccin del estrato del suelo superior Resistencia no drenada del estrato superior C, (KSF)

D2/D1= 0.67

D2/D1= 0.75D2/D1= 0.88

D2/D1= 0.95Profundidad (50)

Profundidad (30)

Profundidad (10)

Profundidad (D)

Pilote D1

D2

b

D1

D2b

Pilote

Profundidad (D)

R e s

i s t e

n c i a l t i m a h o

r i z o

n t a l d e t r a n

s f e

r e n

c i a

d e l s u e

l o a

l p i l o t e P / B ( K S

F )

0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.02.5

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

11

15 20 25 30 35 400

2

4

6

8

10

12

14

1 KSF = 47.9 kN/m1 FT = 0.305 m1 PCF = 159 N/m

Curvas para evaluar Profundidad = 10'

= 120 PCFPara otras profundidades,multiplicar por D/ 10'

R e s i s t e n

c i a l t i

m a h o r i z o n

t a l

d e t r a n

s f e r e n c

i a d e

l

s u e

l o a

l p i l o t e P / B ( K

S F )


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La fuerza mxima axial en el micro-pilote sepresenta cerca a la super cie de falla, en formasimilar a como ocurre en los clavos (nails). Paraque los micro-pilotes desarrollen la mxima fuerzaaxial, el micro-pilote debe estar su cientementeembebido en el suelo por debajo de la super cie de

falla para prevenir su arrancamiento o la falla porcapacidad de soporte.

La fuerza axial requerida para ser resistidapor el micro-pilote por debajo de la super cie defalla, se asume que es igual a la resistencia quepuede desarrollar el micro-pilote por encima de lasuper cie de falla con un factor de seguridad.

La resistencia axial ltima del micro-pilote porencima de la super cie de falla puede calcularseutilizando la expresin:

Donde: P ult = Resistencia ltima axial del micro-pilotepor encima de la super cie de falla. arriba = Resistencia en la interface entre lainyeccin y el suelo por encima de la super ciede falla.L arriba = La longitud del micro-pilote desdela super cie de falla hasta la cabeza en lasuper cie del terreno.

d = dimetro del micro-pilote.Los valores de se pueden obtener de ensayos delaboratorio o estimarse de acuerdo a la tabla 5.6

La longitud requerida de los pilotes por debajode la super cie de falla (L abajo), se puede calcularpor medio de la expresin:

Donde: P ult = resistencia ltima axial del micro-pilotepor encima de la super cie de falla. abajo = resistencia en la interface entre lainyeccin y el suelo por debajo de la super ciede falla.L abajo = la longitud enterrada requerida delmicro-pilote por debajo de la super cie de falla.FS = factor de seguridad (se recomienda FS =2.0).

Figura 5.37 Anlisis para determinar el sitio ptimopara colocar una hilera de micro-pilotes.

ult arriba arriba P x L x xd =

ult abajo

abajo

P L x FS

x xd =

Fs= 1.3

Fs= 1.3

Fs= 1.3

Fs= 1.3

F1

F2

F3

F4

X

X

X

X0

0

0

0

61

5956

53

50

Distancia en m F u e r z a s q u e s e r e q u i e r e n e n e n

m i c r o - p

i l o t e p a r a

F s =

3

El mejor sitio es cercaal sitio 3 o cerca alcentroide del talud

F1

F2F3

F4


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Adicionalmente a la resistencia axial, los micro-pilotes desarrollan resistencia a la exin. Elobjetivo de un diseo es seleccionar un sistema demicro-pilotes con su ciente capacidad estructuralpara resistir la fuerza desbalanceada del talud(Frequerida), sin que ocurra falla estructural delmicro-pilote en un efecto combinado de carga axialy de exin.

Evaluacin de la capacidad mxima demomento a exin de un micro-piloteverticalLa resistencia mxima al cortante de un micro-pilote corresponde a la mxima fuerza de cortanteque puede aplicarse al micro-pilote y que resultaen un momento de exin mximo dentro delpilote, el cual es exactamente igual a la resistencialtima a la exin del micro-pilote. Este momentomximo de exin puede ocurrir en cualquier sitiodel micro-pilote arriba o abajo de la super cie defalla.

La falla de los micro-pilotes en un deslizamientoocurre a exin. Para calcular la resistencia alcortante de un micro-pilote, se requiere calcularprimero la resistencia ltima a exin (M ult).

El momento ltimo a exin de un micro-pilote vertical se calcula utilizando un programade computador que modele la interaccin suelo-estructura para pilotes con carga lateral (LPILEu otro similar).

Figura 5.38 Esfuerzos del suelo sobre los micro-pilotes.

Figura 5.39 Los esfuerzos de traccin del suelo sobreel micro-pilote son mayores cerca a la super cie de fallay disminuyen al alejarse de esta super cie.

El momento ltimo a exin se calcula para doscondiciones extremas:

Carga axial igual a cero (P = 0)

Carga axial ltima (P = Pult, calculada comose indic anteriormente)Pult = resistencia ltima axial del micro-pilotepor encima de la super cie de falla

El anlisis se realiza con el valor menor del Multdeterminado en el anlisis con el software, con elobjeto de trabajar con el valor menor disponible deresistencia al cortante del micro-pilote.

Evaluacin de la resistencia al cortantede un micro-pilote vertical

La mxima fuerza al cortante que puede soportarel micro-pilote, corresponde a la fuerza de cortanteaplicada sobre la super cie de falla, que produzcaun momento mximo de exin en el pilote iguala Mult.

El momento mximo a exin en el pilotedepende de la rigidez del suelo (respuesta p-y)abajo y arriba de la super cie de falla y de larigidez del micro-pilote propiamente dicha.

Esta evaluacin se puede realizar medianteanlisis de pilotes cargados lateralmente utilizandoun programa de software (LPILE o similar).

D i r e c c

i n d e l

m o v i m

i e n t o

S u p e r f i

c i e d e

f a l l a

Z o n a d

e f a l l a

T

T

D i r e c c

i n d e l

m o v i m

i e n t o

S u p e r

f i c i e d

e f a l l a

Z o n a d

e f a l l a

T

T


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Tabla 5.6 Valores tpicos de la resistencia en el contacto suelo-micro-pilote ( ) (Sabatini y otros, 2005).

Material de suelo o roca Resistencia entre el micro-pilote yel suelo kPa

Limo o arcilla blanda, de plasticidad media,con algo de arena 35 a 70

Limo o arcilla dura, densa a muy densa, conalgo de arena 50 a 120

Arena na, suelta a media, con algo de limo 70 a 145

Arena na, gruesa, densidad media a alta,con algo de limo o grava 95 a 215

Grava media a muy densa, con algo de arena 95 a 265

Detritos glaciales, limos, arenas o gravas,densas, cementadas 95 a 190

Lutitas blandas, poco meteorizadas, sanas amoderadamente fracturadas 205 a 550

Pizarras y lutitas duras, poco meteorizadas,sanas a moderadamente fracturadas 515 a 1.380

Calizas poco meteorizadas, sanas amoderadamente fracturadas 1.035 a 2.070

Areniscas poco meteorizadas, sanas amoderadamente fracturadas 520 a 1.725

Granito y basalto poco meteorizados, sanos amoderadamente fracturados 1.380 a 4.200

Nota: La resistencia indicada corresponde a inyeccin por gravedad. En micro-pilotesinyectados o reinyectados en suelos las resistencias son signi cativamente mayores.

El anlisis se realiza por separado para la porcindel pilote por encima de la super cie de falla ypara el sector de pilote por debajo de la super ciede falla (anlisis hacia arriba y anlisis haciaabajo).

Ambos anlisis se realizan para las condicionesde carga axial mnima (P = 0) y carga axial mxima(P = Pult). Las fuerzas de cortante y los momentosaplicados en el anlisis en la super cie de falla,realmente son fuerzas internas y momentos dentrodel micro-pilote.

Por la razn anterior, deben satisfacerse los

siguientes criterios: Se debe utilizar el mismo valor de carga axial

para los anlisis hacia arriba y hacia abajo.

La fuerza de cortante debe tener la mismamagnitud y direccin para ambos anlisis.

El momento aplicado debe ser el mismo enmagnitud, pero de signo opuesto para losanlisis hacia arriba y hacia abajo.


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Figura 5.40 Ejemplo de diagramas de momentos de exin calculados para los anlisis hacia arriba y hacia abajode un micro-pilote (Sabatini y otros, 2005).

Localizacin de lasuperficie de falla

Localizacin de lasuperficie de falla

Anlisis hacia arriba

Anlisis 1

Anlisis 2

Anlisis hacia abajo

D i s t a n c

i a d e

l a s u p e r f

i c i e d e

l v s t a g o

( m )

Momento flector (KN.m)

-200 -150 -100 -50 50 100 150 200

20015010050-50-100-150-200

M

M

1

2

3

4

5

-1

-2

-3

Anlisis

1

M (KN.m)

2

Mmax (KN.m)

Cabeza pilote Arriba

40

87

162.98

161.00

-0.064

-0.037

-0.025

-0.037

Cabeza pilote Abajo

Mult=161.3 kN.m


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La cabeza del micro-pilote se modela comolibre.

Debe obtenerse el mismo valor en la pendientecalculada de la inclinacin de la cabeza delpilote en la super cie de falla, para los anlisis

hacia arriba y hacia abajo.

La gura 5.40 muestra un ejemplo de los diagramasde momentos calculados para un anlisis haciaarriba y hacia abajo. El anlisis consiste ensuponer varios momentos en forma iterativa hastaque se obtenga como resultado el mismo valor de lapendiente calculada de la inclinacin de la cabezadel pilote en la super cie de falla, para los anlisishacia arriba y hacia abajo; y Mmax = Mult.

Las iteraciones se suspenden cuando se cumplenlas dos condiciones anteriores. La fuerza decortante obtenida en el momento en que se cumplenlas dos condiciones es la fuerza de cortante ltimapara diseo de un micro-pilote vertical. Comolos micro-pilotes generalmente son inclinados, serequiere evaluar la fuerza mxima lateral en elmicro-pilote teniendo en cuenta esta inclinacin(Figuras 5.41 y 5.42).

Capacidad al cortante en una batera demicro-pilotes inclinados

La mxima fuerza lateral (Fult) que puederesistir un micro-pilote inclinado depende de sulocalizacin con respecto a la super cie de fallacomo se muestra en la gura 5.43. De acuerdo aPoulos y Davis (1980) P ult puede desarrollarse si elpilote se encuentra inclinado ms de 30.

Figura 5.41 Fuerzas del micro-pilote sobre eldeslizamiento en la super cie de falla.

La carga lateral sobre el pilote est dada por lasexpresiones:

Para = 0

Para 30

Para valores intermedios se requiere interpolarentre los dos valores obtenidos.

Donde:Qp = 0 = es la fuerza mxima de cortante en elanlisis con el software para P = 0Qp = Pult = es la fuerza mxima de cortante en elanlisis con el software para P = P ult

El ngulo de inclinacin se de ne en la formacomo se muestra en la gura 5.44. Para gruposde pilotes se suman los efectos de la resistencia alcortante de cada pilote. Si se requieren resistenciasadicionales, se pueden requerir pilotes adicionaleso hileras adicionales de pilotes.

En estructuras de micropilotes se debe sergeneroso en el nmero de micropilotes debido a quela carga es parcialmente asumida por el suelo.

Figura 5.42 Fuerzas que actan sobre la estructuradel micro-pilote.

0ult p F Q= =

ult p ult ult F Q P P sen = = +

F T

F c

T

T

M F

F T

F

T

T


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Figura 5.43 Fuerzas que actan sobre un micro-pilotevertical y un micro-pilote inclinado en la super cie defalla (Sabatini y otros, 2005).

Figura 5.44 De nicin del ngulo de inclinacin de unmicro-pilote ( ) para diversas situaciones (Sabatini yotros, 2005).

Figura 5.45 Deformacin plstica o ujo de suelo entredos pilotes adyacentes (Sabatini y otros, 2005).

Potencial de ujo del suelo entre micro-pilotesSi los micro-pilotes se encuentran muyespaciados y el suelo por encima de la super ciede falla es muy dbil, existe la posibilidad deque se presente ujo del suelo por entre pilotesadyacentes (Figura 5.45).

La posibilidad de que se presente ujo desuelo entre pilotes puede analizarse utilizandocriterios desarrollados por Ito y Matsui (1975) yHassiotis y otros (1997).

Existen hojas de clculo y programas desoftware para analizar la posibilidad de ujo desuelo entre los micropilotes.

Proceso de diseo de estabilizacin detaludes con micro-pilotes

El procedimiento de diseo de estabilizacin detaludes utilizando micro-pilotes de acuerdo a lagua de la FHWA (Sabatini y otros, 2005; Sabatiniy otros, 2006 ; Loehr, 2007) se presentan en latabla 5.7. El diseo incluye el clculo de la cargapor micro pilote y el anlisis general de estabilidadde los taludes.

Eje y

Eje y

Eje x

Eje x

Superficiedel falla

Superficiedel falla

Qp=0

P=0

Qp=Pult

H

P=PultV

Micropilote

Eje perpendicular aleje del pilote

Micropilote

Superficie defalla

Eje perpendicular a lasuperficie de falla

Superficiede falla

MicropiloteMicropilote

Eje perpendicular aleje del pilote

Eje perpendicular a lasuperficie de falla

Superficiedel falla

Superficiedel falla

D2=D1-b

D1= S max

b=Dimetro demicropilotes

Suelo que semuevemicropilotes

Micropilotes


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Tabla 5.7 Procedimiento para el diseo de micro-pilotes (Modi cado de Sabatini y otros 2005).

Paso 1Determinar la viabilidad del uso de micro-pilotes Analizar las restricciones de derecho de va, materiales, equipos, estructuras existentes,aspectos ambientales, esttica, sensitividad, movimientos de tierra, costos, etc.

Paso 2Informacin geotcnica del deslizamiento o el taludTopografa, extensin lateral, per l de suelo, niveles freticos, parmetros para elanlisis, super cie de falla, sismicidad, etc.

Paso 3Evaluar el factor de seguridad del talud existenteCalcular el factor de seguridad utilizando un software de equilibrio lmite. Se diseapara el factor de seguridad mnimo.

Paso 4

Determinar la fuerza adicional requerida para estabilizar el taludComparando el factor de seguridad actual con el factor de seguridad de diseo, calcular

la fuerza adicional requerida. Se realiza utilizando programas convencionales deestabilidad de taludes. Para el anlisis se supone un solo micro-pilote vertical, y serealizan anlisis para varias localizaciones de ese micro-pilote.

Paso 5

Seleccionar la seccin del micro-pilote y estimar su longitudSe selecciona un tipo de micro-pilote y una seccin de refuerzo. Se calcula Pult axial yluego se estima la longitud requerida para que el micro-pilote tenga una capacidad dedos veces Pult.

Paso 6

Evaluar la capacidad de momento a exin de un micro-piloteSe calcula la capacidad del pilote a exin utilizando un programa de computador. Serequiere especi car las propiedades de la inyeccin y del acero as como los parmetros

del suelo. Se calcula Mult para P = 0 y para P = P ult.

Paso 7

Evaluar la capacidad al cortante de un micro-piloteSe realizan anlisis de carga lateral de pilotes utilizando un programa de software(por ejemplo, LPILE) y se ajusta la fuerza de cortante hasta que M max = Mult y

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Cap5. Pernos, Clavos y Micropilotes