ENTIBACION DE EXCAVACIONES (ADEMADO)

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUILFacultad de Ciencias Matemticas y FsicasMario Farfn Morn3

ENTIBACION DE EXCAVACIONES (ADEMADO)

En muchas construcciones es necesario hacer excavaciones profundas antes de erigir la estructura. Sin embargo, cuando se realizan excavaciones costosas o que entraan peligros para las vidas o propiedades colindantes, es necesario proyectar la entibacin como cualquier otra estructura importante.

Como la excavacin es un hueco que se hace en el suelo con un propsito especifico, el proyecto de una excavacin depende de dos factores:

La naturaleza del suelo, y Las dimensiones de la excavacin.

En muchos casos el factor ms importante es el tamao de la excavacin, que incluye la profundidad, el rea, el volumen a excavar y el espacio que se requiere para el trabajo del equipo y para la estructura, dentro de la excavacin. La resistencia del suelo y su facilidad para ser excavado, la profundidad del agua subterrnea y la facilidad con que atraviesa el suelo, influyen tanto en el mtodo para hacer la excavacin como en el proyecto de la misma.

Las excavaciones abiertas son las que no requieren ademe para soportar el suelo o dominar el agua subterrnea. El suelo se excava dndole a los taludes de la excavacin el mayor talud compatible con la estabilidad del mismo; corrientemente 1.5 horizontal a 1 vertical para suelos arenosos, aumentndolo hasta llegar a la vertical para excavaciones poco profundas en arcilla resistente o roca descompuesta. Los taludes generalmente determinan por tanteo o por experiencia adquirida en suelos similares. Cuanto ms profunda sea la excavacin y ms dbil el suelo, menor inclinacin deben tener los taludes de la excavacin. En las excavaciones de gran profundidad y con taludes muy inclinados, el volumen de la excavacin es mucho mayor del que realmente se necesita para la estructura, por consiguiente la excavacin abierta se limita, generalmente, a los de suelos firmes, grandes reas o pequeas profundidades (menores de 6 m). Entibacin de las excavaciones. Cuando la excavacin abierta es antieconmica o imposible de realizar, es necesario hacer ademes para soportar el suelo. Se han ideado muchos sistemas de entibacin y algunos hasta han sido normalizados por organizaciones.El tipo ms simple de ademe es el de codales o puntales (figura 8.18b), que son maderos horizontales cuyos extremos se acuan contra el suelo.

Este sistema se emplea corrientemente en excavaciones poco profundas en suelos cohesivos que pueden mantenerse sin soporte por un corto tiempo. El codal colocado cerca de la superficie del terreno donde se hace la excavacin impide que se produzcan tracciones en el suelo, lo que ocurre por arriba de la profundidad z = 2c / y evita la formacin de grietas de traccin (figura 8.18a) que provocaran el derrumbe de los lados de la excavacin. Si es necesario colocar dos filas de codales deben acuarse contra maderos verticales que se llaman estemples o vigas verticales.

Cuando se necesita una entibacin ms completa, se pueden emplear estos mtodos:

Tablestacas verticales.Tableros horizontales.Muros construidos in situ.

Cuando el suelo es muy blando y fluido, el mtodo que debe emplearse, que ha sido consagrado por el tiempo, es el de tablestacas verticales, como se muestra en la figura 8.18c. Se hincan tablestacas verticales de madera o de acero a lo largo de la lnea de excavacin antes de realizar sta. A medida que se ejecuta la excavacin se van colocando miembros horizontales que se llaman polines o carreras, a lo largo de la parte interior de las tablestacas y se arriostran a los codales.

Si la profundidad de la excavacin es mayor que la longitud de la tablestaca, se hinca una segunda fila de tablestacas en la parte interior de la primera, despus que la excavacin haya llegado cerca del extremo inferior de la primera fila.

Cuando el suelo no es fluido se puede emplear el sistema de tablones horizontales (figura 8.18d). Si los frentes de la excavacin se pueden mantener sin soporte durante varias horas, se hace la excavacin y despus se colocan los tableros horizontales contra el suelo. Estos tableros se sostienen por medio de vigas verticales que, a su vez, son soportadas por los puntales. Si es necesario soportar los paramentos de la excavacin en todo momento, pero el suelo no es fluido, las vigas verticales que se usan son perfiles de acero de ala ancha que se hincan en el suelo y los tableros se colocan entre las alas de las vigas verticales, acundolos fuertemente contra el suelo para evitar movimientos excesivos. Las vigas verticales soportan por un sistema de carreras y codales de la misma manera que las tablestacas verticales. Donde existan obstrucciones que impidan la hinca de tablestacas, o donde el choque y vibraciones producidas por dicha hinca sean objetables, se construyen in situ muros de sostenimiento de concreto. Un tipo de muro consiste en cilindros de hormign que se traslapan, figura 8.19a. Estos cilindros se pueden construir de dos maneras, segn resistencia del suelo y el nivel del agua subterrnea. En el caso de arcillas firmes y sobre el nivel fretico, se perfora el suelo con una barrena para hacer un agujero de 40 cm o ms de dimetro, se coloca en dicho agujero la jaula formada por el refuerzo y seguidamente se vierte el concreto. En el caso de suelos menos estables, tambin se perfora el suelo, pero se mantiene el agujero relleno con el propio suelo o con lodo durante la perforacin. Posteriormente se inyecta un mortero de cemento, a travs del vstago hueco de la barrena, partiendo del fondo del agujero hacia arriba y a medida que se extrae la barrena, de manera que el mortero vaya reemplazando al suelo para que no queden las paredes del agujero sin soporte en ningn momento. El refuerzo de acero se coloca forzndolo hacia abajo a travs del mortero; desde luego su colocacin nunca es muy exacta. Posteriormente se colocan los largueros que sean necesarios para soportar el muro de cilindros.

Un segundo mtodo consiste en excavar una zanja que se mantiene rellena de una pasta blanda de arcilla y agua, que soporta el suelo durante la excavacin posteriormente. Esta zanja rellena de pasta de arcilla se excava en tramos cortos, de 2 m a 6 m de longitud, y de 1 m. a 1.5 m de ancho, empleando distintos mtodos de perforacin o excavacin, de acuerdo con el equipo patentado que se use. Lo esencial de este procedimiento es que la excavacin se mantiene rellena de una mezcla viscosa de agua, arcilla (por lo general bentonita) y suelo, que soporta la tierra por la presin de esa mezcla fluida. La grava y hasta los boleos se pueden extraer empleando cucharones especiales y la arena se puede extraer por bombeo de lodo circulante. Una vez terminada la excavacin, la jaula del refuerzo, que se ha prefabricado, se coloca a travs de la pasta fluida, fijndola en posicin por medio de rolletes o tacos, contra las paredes de la excavacin. El concreto se coloca en la excavacin de abajo hacia arriba por medio de un embudo, con lo cual se va desplazando la pasta blanda de arcilla que se recoge y almacena para usarla nuevamente. Este tipo de muro de 1.50 m de espesor se ha construido en excavaciones hasta de30 m de profundidad en diferentes suelos. El muro as construido es generalmente lo bastante uniforme para que sirva de forma al muro permanente y, algunas veces, puede ser l mismo el muro permanente, colocndole un delgado revestimiento.

Sistemas de soporte en la entibacin. En las excavaciones de muy poca profundidad no se emplean codales o puntales, sino que el tablestacado, los pilotes o vigas verticales o los muros construidos in situ se usan como elementos estructurales en voladizo. En excavaciones de ms de 3 m de profundidad se emplea algn sistema de soporte, figura 8.20.

En excavaciones estrechas como las zanjas y en excavaciones para pequeos edificios, el soporte puede consistir en columnas horizontales o codales, figuras 8.18b, c, 8.20a, b. Si la excavacin es ancha el sistema de soporte se arriostra vertical y horizontalmente, con objeto de reducir la esbeltez (1/r) del puntal y para reducir el pandeo del mismo, si el equipo con que se realiza la excavacin lo golpeara. Algunas veces a los codales y soportes verticales se les unen miembros diagonales en el plano vertical para formar verdaderas armaduras. De esta manera los puntales superiores se pueden usar para soportar los equipos de construccin y el fondo de la excavacin queda libre de obstrucciones.

Cuando el ancho de la excavacin es varias veces mayor que la profundidad, el sistema de codales que cruza el rea de excavacin obstruye el lugar; en este caso es conveniente usar un sistema de puntales inclinados figura 8.20c. Se hace la excavacin hasta la profundidad especificada solamente en el centro del rea a excavar, dejando bancos en talud para soportar el tablestacado o los pilotes verticales, como se indica en lnea de puntos en la figura 8.20c. Se colocan entonces los largueros y los puntales inclinados que reaccionarn contra una cimentacin especial construida con ese objeto o contra una parte de la cimentacin permanente de la estructura, que se haya terminado. El segundo paso es hacer la excavacin del banco hasta el nivel del segundo larguero y puntal inclinado, procediendo acto seguido a la colocacin de ambos. Si el suelo es tan dbil que requiere taludes muy inclinados, los puntales inclinados se colocarn en zanjas, dejando sin excavar la parte del banco entre las zanjas. A los puntales inclinados no se les da generalmente una pendiente mayor de 35, con objeto de reducir al mnimo la componente hacia arriba de la reaccin del puntal contra las tablestacas o pilotes verticales.

Los anclajes o retenidas, figura 8.20d, eliminan las obstrucciones que son inherentes a los sistemas de codales o de puntales inclinados. El sistema consiste en la colocacin de barras que se extienden hasta bien atrs de cualquier superficie de falla potencial y dentro de una masa de suelo firme no alterado o roca. Se han empleado varios sistemas; unos utilizan cables de alto limite elstico, que se fijan en la roca por medio de inyecciones de cemento y despus se preesfuerzan contra el larguero; otros utilizan barras de refuerzo de acero corriente.

Proyecto del sistema de entibacin. Un sistema de entibacin es una estructura provisional que generalmente se quita cuando se ha terminado el trabajo. En realidad es un cierre que se hace alrededor del lugar donde se va a construir para evitar que el agua y el suelo penetren y poder realizar los trabajos en seco; por eso algunas veces se le llama atagua, aunque este trmino se emplea ms corrientemente a cierres o presas temporales en aguas abiertas. Como en la mayora de los casos la seguridad, la facilidad de construccin y la conveniencia, son las consideraciones ms importantes y no la economa de materiales, rara vez est justificado un mtodo refinado de clculo. Sin embargo, es necesario conocer la naturaleza de los empujes de la tierra contra las entibaciones aun para un clculo aproximado.

Deformacin y empuje. El empuje que la tierra ejerce contra un ademe depende del tipo de suelo y de la magnitud de la deformacin o cedencia de la entibacin. Contrariamente a lo que sucede con los muros de sostenimiento de tierras, que son estructuras rgidas contra las cuales se coloca la tierra despus que han sido construidos, el sistema de entibacin es algo flexible y tiene que soportar la tierra a medida que se le construye. El resultado es una deformacin irregular y una variacin errtica del empuje de la tierra con la profundidad, que no puede calcularse slo tericamente.

La excavacin cambia drsticamente los esfuerzos que existan, antes de la excavacin, en un elemento de suelo inalterado, figura 8.21a. El esfuerzo lateral, se reduce y el elemento de suelo se comba hacia afuera y desciende verticalmente. El efecto combinado es una combadura en la parte inferior del banco y un asentamiento en la parte superior, como se muestra en la figura 8.21a. Cerca de la superficie, el suelo est en traccin debido a los movimientos hacia afuera y hacia abajo y se pueden formar grietas de traccin. Es caracterstico que las grietas se formen a una distancia del borde superior entre 0.4 y 0.7 de la altura H, del paramento. Las primeras grietas aparecen muy cerca del borde superior, alejndose progresivamente las subsiguientes.

El sistema de entibacin de la excavacin restringe la elstica, mantiene las grietas cerradas y reduce al mnimo el asentamiento o hundimiento de la superficie. Si el sistema de entibacin es tan rgido que no permite deformacin alguna, el empuje de las tierras que se producir ser el correspondiente al estado de reposo, figura 8.21c. Pero el sistema generalmente se deforma, lo cual altera el empuje total y la distribucin del mismo. La excavacin hasta el nivel del primer soporte permite que la entibacin se incline, figura 8.21b, y el empuje se acerca al estado de figura 8.21c.

El primer soporte evita una apreciable deformacin adicional en ese punto. Las excavaciones ms profundas permiten que el sistema de entibacin se deforme por debajo del soporte, haciendo que el empuje se reduzca. La presin en el soporte aumenta proporcionalmente, porque la carga de la zona deformada ha sido transferida al soporte por esfuerzo cortante horizontal. En el fondo de la excavacin el suelo no se puede deformar porque lo impide el esfuerzo cortante horizontal dentro de la masa y, por tanto, el empuje contra la entibacin se reduce.

El diagrama de la presin de la tierra es irregular. El empuje resultante es algo mayor que el correspondiente al estado activo y su punto de aplicacin est ms arriba del tercio de la altura, que es el que corresponde al empuje resultante en un suelo no cohesivo. Partiendo de las mediciones de las presiones en los codales y de los momentos flexionantes en las tablestacas o pilotes verticales, hechas en ademes construidos, se ha podido calcular la forma y magnitud del empuje, que concuerda con el diagrama que se muestra en la figura 8.21c. La verdadera presin, sin embargo, variara considerablemente de un punto a otro debido a las diferencias en la secuencia de la construccin y a los desplazamientos del sistema de soporte.

El procedimiento general que se sigue para calcular el empuje de la tierra para el proyecto de una entibacin, es hallar la resultante del empuje activo (o de reposo, si el sistema de entibacin es muy rgido) y aumentar empricamente el valor de la misma, ya que el sistema de entibacin no permite la total deformacin requerida para que se produzca el estado activo (o disminuirla, si el proyecto se basa en el estado de reposo). Esta resultante se redistribuye para formar un diagrama simplificado del empuje, figuras 8.22 y 8.23. Tanto el aumento de la resultante del empuje sobre la correspondiente al empuje activo, como la distribucin del mismo, estn basados en los empujes deducidos de mediciones hechas en sistemas de entibacin similares, de tamao natural.

Ademes en arena. Durante la construccin del ferrocarril subterrneo de Berln, Alemania, se desarroll un mtodo semiemprico, para aproximarse a los valores que se obtuvieron midiendo los empujes de la tierra contra las entibaciones de excavaciones en arena compacta. Un diagrama trapecial de la presin (figura 8.22a) representa muy aproximadamente el verdadero empuje de la tierra y es compatible con la teora. El empuje resultante del trapecio supuesto es 28 por ciento mayor que el del empuje activo. Para arena suelta se ha sugerido un diagrama de empuje similar (figura 8.22b). El empuje resultante es, en este caso, 44 por ciento mayor que el que corresponde al estado activo.

Se han propuesto otros diagramas simplificados de empujes, que incluyen rectngulos y tringulos. Las diferencias entre estos diagramas dan idea de la amplitud de la variabilidad de las presiones reales.

Para el proyecto de la entibacin se supone que la presin trapecial acta en cada seccin vertical de la entibacin. La carga en los codales se puede calcular suponiendo que los miembros verticales estn articulados en cada codal excepto en el superior y soportados por una fuerza concentrada en el fondo de la excavacin. Los momentos en los miembros verticales se pueden calcular suponiendo que actan como vigas simplemente apoyadas en las supuestas articulaciones. Los miembros sometidos a momentos flexionantes solamente, se proyectan, corrientemente, aumentando el coeficiente de trabajo en un 25 por ciento, ya que la entibacin es una estructura temporal y que una flexin excesiva se puede corregir, por lo general, mucho antes de que ocurra una falla. Por el contrario se debe usar un alto factor de seguridad con respecto al pandeo de los puntales, ya que stos se daan ocasionalmente debido, a una instalacin descuidada o a su uso continuado y porque el pandeo, al revs de la flexin, ocurre bruscamente y puede precipitar una reaccin en cadena, de fallas por pandeo. En el proyecto de codales de acero se emplea el esfuerzo a compresin permisible que se acostumbra a usar en las frmulas de columnas y en las de madera dos tercios del esfuerzo de compresin usual. Los puntales deben arriostrarse cuidadosamente para evitar los daos que puedan producirse por los impactos de los equipos de construccin En su proyecto debe incluirse el momento flexionante producido por su propio peso. Todas las uniones deben reforzarse para evitar fallas locales.