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Excavaciones
Deben cuidarse los siguientes aspectos:
1. Forma de resolver los cortes de la excavación (taludes o ademes)2. Estabilidad del fondo de la excavación.3. Presencia de agua.4. Evitar daños a colindancias.
Cortes con talud
La inclinación de los taludes depende de:
• Tipo y características del suelo o roca.• Profundidad de la excavación.• Tiempo que la excavación permanezca abierta.• Condiciones climáticas.
Los taludes deben tener la inclinación necesaria para garantizar un adecuado factor de seguridad contra falla.
Cuidados:
• Proteger los taludes contra la erosión y el intemperismo. Es común colocar una capa de concreto lanzado o “repellado“, reforzado con malla electro-soldada o de “gallinero”, fijada con varillas al talud.
• Dejar una banqueta perimetral de 0.8 a 1.2 m de ancho.
• Proteger el fondo de la excavación con una plantilla de concreto de baja resistencia (f’c = 100 kg/cm2), de 5 cm de espesor mínimo, que además recibirá el armado.
Cortes verticales anclados
• Drenes• Ajuste adecuado anclas • Monitoreo de posibles grietas• Instrumentación• Supervisión geotécnica.• Fallas en cortes anclados
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Causas:
• Diseño deficiente del anclaje.• Subdrenaje insuficiente• Inyección pobre de mortero en perforaciones para las anclas• Cortes verticales sin elementos de soporte
Cortes ademados
• El sistema de ademado debe evitar el colapso de los cortes de la excavación, así como prevenir movimientos intolerables.
• Cuando existan colindancias, los cuidados deben ser mayores, ya que los movimientos admisibles son más restringidos.
Factores que influyen en el tipo de retención:
• Tipo de suelo.• Profundidad de la cimentación.• Profundidad del nivel freático.• Permeabilidad del suelo.• Espacio disponible.• Tiempo que permanecerá abierta la excavación.• Equipo disponible.• Programa de construcción.
Cortes ademados, apuntalados
Como ademe pueden usarse tablestacas (de madera, concreto, acero), muro Milán, muros prefabricados o tablones (de madera o concreto). Al ademe también se le conoce como “forro”.
El ademe se mantiene en su lugar por medio de trabes madrinas (largueros), que a su vez son soportados por puntales. En vez de puntales pueden usarse anclas.
• Si la excavación tiene ancho menor a 1.5 m, se usan tubos metálicos con cuerda, llamados puntales para cepas, los cuales se pueden alargar o acortar.
• Si la excavación es muy ancha, pueden usarse puntales inclinados llamados “rastras”, pero requieren de elementos de apoyo soportados en un terreno de cimentación suficientemente firme. Otra opción sería el uso de anclas (cortes anclados).
Tipos de puntales:
• horizontales• inclinados (rastras)
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Puntales inclinados
• Se usan cuando el ancho de la excavación es grande.• Debe existir el apoyo adecuado.• El apoyo puede ser la propia cimentación.
Cortes ademados, apuntalados
• Cuando no haya alineamiento perfecto entre pies derechos, ademe y trabes madrinas (largueros), deben colocarse cuñas.
• Para reducir los movimientos laterales se acostumbra presforzar los puntales. Las cargas de presfuerzo varían entre el 40 y 70% de la carga máxima prevista en el puntal.
Cortes ademados, anclados
• Las anclas se instalan en perforaciones inclinadas.• Si el terreno es cohesivo pueden tener una ampliación (campana) en el extremo.• Las perforaciones alojan el acero de refuerzo y se rellenan con concreto.
La elección del tipo de anclas depende de:
• Presencia o ausencia de zonas cohesivas.• Equipo disponible.• Aspectos económicos.
Cortes ademados, anclados
• Las fuerzas en las anclas se determinan suponiendo que los componentes horizontales están dados por los diagramas de presión aparente.
• Las anclas pueden ser horizontales o inclinadas. Generalmente se eligen inclinadas si la resistencia del suelo aumenta con la profundidad.
• Las anclas terminadas en campana para aumentar la resistencia a la extracción, solo son aplicables en suelos cohesivos.
• Los equipos que realizan perforaciones con campanas en anclas trabajan con una inclinación de 30° o más respecto a la horizontal.
• La resistencia máxima que desarrollan las anclas por fricción es aproximadamente igual a la resistencia al corte del suelo circundante.
• La resistencia real de las anclas debe estimarse a partir de pruebas de extracción en campo.
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Excavaciones ademadas con tablestacasProcedimiento:
1. Instalación de la tablestaca en el perímetro de la excavación.2. A medida que se excava, se coloca el sistema de troquelamiento (largueros y
puntales).
Excavaciones en arcilla
Los taludes verticales en arcillas no son convenientes. Se recomiendan taludes más tendidos de: 0.5 : 1 (H a V).
Riesgo de falla Soluciones viables
Falla de fondo Excavar por partes.
Quitar sobrecargas o peso a los lados de la excavación.
Construir bajo agua o lodos.
Falla por subpresión
Antes de excavar, abatir la presión de agua en el estrato permeable, con bombeo profundo
Expansión elástica
Excavar por partes y colocar lastre
Expansión a largo plazo
Lastrar y construir rápidamente.
Excavaciones en arena sobre el nivel freático
Los taludes en arena depende del ángulo de fricción de ésta, por lo que debe ser más tendido que dicho ángulo. Usualmente es de 1.5 a 1 (H a V) o más tendido.
En general, no se presentan problemas al realizar excavaciones en depósitos de arena arriba del nivel freático, a menos que éstos se encuentren sobre un depósito de arcilla blanda a poca profundidad.
Excavaciones en arena bajo nivel freático
El nivel freático en las excavaciones debe abatirse previamente con un sistema de bombeo a base de pozos punta o pozos profundos.
No deben usase zanjas y cárcamos de bombeo por el alto riesgo de provocar fallas por “ebullición” y de los taludes.
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Fallas en cortes apuntalados
En arenas arriba del nivel freático:
• Por flexión transversal de los puntales.
• Por torcedura local de los largueros.
• Por asentamiento excesivo de los pies derechos (pilotes verticales) o de tablestacas en arenas sueltas.
En arenas abajo del nivel freático:
• Falla por ebullición. Las fuerzas de filtración en el fondo de la excavación pueden producir inestabilidad en el suelo provocando colapso del sistema de apuntalamiento cuando se usa un sistema de zanjas y cárcamos de bombeo.
• Falla por subpresión. Si existe un estrato permeable cubierto por uno menos permeable, puede presentarse un exceso de presión hidrostática y causar levantamiento del fondo.
Fallas en cortes apuntalados
En arcillas • Flexión transversal de los puntales o cedencia de los largueros.• Falla de fondo.
Fallas en cortes anclados
Causas :
• Anclas demasiado cercanas al ademe, lo que ocasiona que todo el sistema de retención se colapse.
• Falta de empotramiento de las anclas.• Sobrecarga en las anclas.• Fuerzas de arrastre sobre los ademes debido a asentamiento del suelo.
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Daños a colindancias
Pasos o etapas que se recomienda seguir cuando se realicen excavaciones, para tratar de evitar daños en construcciones vecinas:
1. Hacer el levantamiento de las estructuras adyacentes y servicios y definir sus movimientos permisibles.
2. Evaluar las condiciones del subsuelo y los probables procedimientos de construcción; identificar las mediciones clave del comportamiento durante la construcción.
3. Establecer las especificaciones de construcción relativas al comportamiento de estructuras vecinas.
4. Diseñar los elementos temporales de soporte y de operaciones de desagüe y establecer los procedimientos constructivos.
5. Iniciar un programa de vigilancia y monitoreo para verificar el comportamiento del suelo y estructuras vecinas y evaluar los procedimientos constructivos.
6. Modificar la construcción cuando sea necesario
Movimientos asociados con excavaciones
La remoción del suelo en una excavación produce siempre un cambio en el estado de esfuerzos, tanto bajo el fondo de la excavación como en la periferia.Lo anterior ocasiona deformaciones (generalmente asentamientos) en los suelos del área adyacente a la excavación.
Factores que influyen en los movimientos adicionales tolerables para edificios existentes:
1. Tipo de movimiento. 2. Velocidad del movimiento. 3. Magnitud y distribución del movimiento. 4. Tipo y estructuración del edificio. 5. Edad y condiciones en que se encuentra el edificio.
Factores que controlan los movimientos laterales en excavaciones ademadas:
1. Separación horizontal y vertical de los troqueles.2. Altura excavada bajo un troquel antes de su instalación.3. Longitud excavada antes de instalar los troqueles.4. Tiempo transcurrido antes de la instalación de troqueles.5. Detalles de preesfuerzo y acuñado de los troqueles.6. Detalles de excavación y colocación del ademe y pies derechos.
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Movimientos asociados con excavaciones
En cualquier excavación es necesario dar protección a las estructuras adyacentes.
Sin protección lateral las excavaciones causarán pérdida de capacidad de carga, asentamientos, o deformaciones laterales en las colindancias.
Las mayores deformaciones en excavaciones se presentan en arcillas y limos plásticos de consistencia blanda a media, compresibles.
Las deformaciones laterales en esos casos ocasionan asentamientos de aproximadamente igual volumen.
En arcillas se han observado asentamientos del orden de 1 a 2 % la profundidad de la excavación.
Un 60 a 80% de las deflexiones laterales totales ocurren abajo del nivel de la excavación.
Son muy importantes los monitoreos topográficos y geotécnicos permanentes, tanto durante la construcción, como durante la operación, para control, optimización de diseños, menores costos, calidad de la obra y plazos más reducidos.
Excavaciones en roca
El principal problema al excavar es la rotura de la roca.
Para ello se utilizan rompedores de percusión (martillos neumáticos, cuñas, y donde sea posible, explosivos).
Los cortes pueden ser verticales, a menos que la roca esté fracturada y exista el riesgo de derrumbes y caídos.
Cuando exista riesgo de caídos, la roca debe amacizarse con mortero de cemento- arena ó con anclas.
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Excavaciones
Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Cimentaciones del Reglamento de Construcciones para el D. F.
Consideraciones generales
Cuando la separación con las colindancias lo permita, las excavaciones podrán delimitarse con taludes perimetrales cuya pendiente se evaluará a partir de un análisis de estabilidad.
En todos los casos debe lograrse un control adecuado del flujo de agua en el subsuelo y seguir una secuela de excavación que minimice los movimientos de las construcciones vecinas y servicios públicos.
Cuando la construcción de la cimentación lo requiera, se controlará el flujo del agua en el subsuelo del predio mediante bombeo, tomando precauciones para limitar los efectos indeseables del mismo en el propio predio y en los colindantes.
Se escogerá el sistema de bombeo más adecuado de acuerdo con el tipo de suelo.El gasto y el abatimiento provocado por el bombeo se calcularán mediante la teoría del flujo de agua transitorio en el suelo.
Control del flujo de agua
El diseño del sistema de bombeo incluirá la selección del número, ubicación, diámetro y profundidad de los pozos; del tipo, diámetro y ranurado de los ademes, y del espesor y composición granulométrica del filtro.
Asimismo, se especificará la capacidad mínima de las bombas y la posición del nivel dinámico en los pozos en las diversas etapas de la excavación.
En el caso de materiales compresibles, se tomará en cuenta la sobrecarga inducida en el terreno por las fuerzas de filtración y se calcularán los asentamientos correspondientes.
Si los asentamientos inducidos por bombeo resultan excesivos, se recurrirá a procedimientos alternos que minimicen el abatimiento piezométrico.
Deberá considerarse la conveniencia de reinyectar el agua bombeada en la periferia de la excavación.
Cualquiera que sea el tipo de instalación de bombeo que se elija, su capacidad garantizará la extracción de un gasto por lo menos 1.5 veces superior al estimado.
En suelos de muy baja permeabilidad, el nivel piezométrico tiende a abatirse espontáneamente al tiempo que se realiza la excavación, por lo que no es necesario realizar bombeo previo, salvo para evitar presiones excesivas en estratos permeables intercalados.
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En el caso antes citado, más que abatir el nivel freático, el bombeo tendrá como objetivo:
• Dar a las fuerzas de filtración una dirección favorable a la estabilidad de la excavación.
• Preservar el estado de esfuerzos del suelo.
• Interceptar las filtraciones provenientes de lentes permeables.
• En todos los casos será necesario un sistema de bombeo superficial que desaloje el agua de uno o varios cárcamos en los que se recolecten los escurrimientos de agua.
• El agua bombeada arrojada al sistema de drenaje público deberá estar libre de sedimentos y contaminantes.
Tablestacas y muros colados en el lugar
Para reducir los problemas de filtraciones de agua hacia la excavación y los daños a construcciones vecinas, se podrán usar tablestacas hincadas en la periferia de la excavación o muros colados in situ o prefabricados.
Las tablestacas o muros deberán prolongarse hasta una profundidad suficiente para interceptar el flujo debido a los estratos permeables que pueden dificultar la realización de la excavación.
Secuencia de excavación
El procedimiento de excavación deberá asegurar que no se rebasen los estados límite de servicio (movimientos verticales y horizontales inmediatos y diferidos por descarga en el área de excavación y en la zona circundante).
De ser necesario, la excavación se realizará por etapas, según un programa que se incluirá en la memoria de diseño.
Se señalarán además las precauciones que deban tomarse para que no afectar a las colindancias. Estas precauciones se consignarán en planos. Al efectuar la excavación por etapas, para limitar las expansiones del fondo a valores compatibles con el comportamiento de la propia estructura o de edificios e instalaciones colindantes, se adoptará una secuencia simétrica.
Se restringirá la excavación a zanjas de pequeñas dimensiones en planta, en las que se construirá y lastrará la cimentación antes de excavar otras áreas. Para reducir la magnitud de las expansiones instantáneas será aceptable, asimismo, recurrir a pilotes de fricción hincados previamente a la excavación y capaces de absorber los esfuerzos de tensión inducidos por el terreno.
Protección de taludes permanentes
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En el diseño de los sistemas de protección de taludes naturales o cortes artificiales permanentes, se tomará en cuenta que las deformaciones del suelo protegido deben ser compatibles con las del sistema de protección empleado.
Se tomará asimismo en cuenta el efecto del peso del sistema de protección sobre la estabilidad general o local del talud durante y después de la construcción.
Los sistemas de protección deberán incluir elementos que garanticen un drenaje adecuado y eviten el desarrollo de presiones hidrostáticas que puedan comprometer la estabilidad del sistema de protección y del propio talud.
En caso de usar anclas para la estabilización del talud deberá demostrarse que éstas no afectarán la estabilidad ni inducirán deformaciones significativas en las construcciones vecinas y/o en los servicios públicos.
El sistema estructural del ancla deberá analizarse con el objetivo de asegurar su funcionamiento como elemento de anclaje.
El análisis de las anclas debe considerar la posibilidad de falla por resistencia del elemento tensor, de la adherencia elemento tensor – lechada, de la adherencia lechada – terreno y de la capacidad de carga del terreno en el brocal del ancla.
La instalación de anclas se realizará con un control de calidad estricto que incluya un número suficiente de pruebas de las mismas, de acuerdo con las prácticas aceptadas al respecto.
Se tomarán las precauciones necesarias para proteger las anclas contra corrosión, con base en pruebas que permitan evaluar la agresividad del terreno, principalmente en cuanto a resistividad eléctrica, pH, cantidad de sulfuros, sulfatos y cloruros.
Se prestará particular atención a la protección de los elementos que no se encuentran dentro del barreno y en especial en la zona del brocal (placas de apoyo, cuñas, tuercas y zona terminal del elemento tensor)
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