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Experiencias en obrasportuarias. Recomendacionespara el diseño y la ejecución

TECNOLOGÍA · 49nº 128 - noviembre 2005

El análisis del comportamiento de las obras por-tuarias construidas durante los últimos añoshace aconsejable realizar una revisión de algu-nos criterios de proyecto y procedimientosconstructivos, fundamentalmente en diques,con el fin de conseguir una mejor calidad en losproyectos construidos. Este objetivo, en lamayoría de los casos, puede conseguirse conincrementos de costes muy moderados sobre elcoste total de las obras.

Por tanto, en la exposición que sigue, no setrata de realizar una revisión pormenorizada deprocedimientos de diseño y construcción, si node comentar aspectos concretos susceptiblesde mejora.

Caracterización Geotécnicade los suelos en las ObrasPortuariasPara poder diseñar correctamente cualquiertipo de obra portuaria, es imprescindible teneruna buena información geotécnica del terrenoen que va a cimentarse. Por tanto las campañasgeotécnicas y, sobre todo, la realización de son-deos, deben diseñarse con amplitud.

Corregir con la obra en ejecución los erroresderivados de una mala caracterización del terre-no en fase de Proyecto, suele tener consecuen-cias económicas graves. Mucho peor resultaríasi estos errores no se aprecian tampoco duran-te la construcción de la obra, ya que se veríaafectada su seguridad.

Este es un aspecto en el que se ha avanzadonotablemente con respecto a la práctica dehace unos años no excesivamente lejanos, peroen el que es necesario seguir mejorando.

Diques

Dentro de este tipo de obras, atendiendo a sutipología estructural y procedimientos específi-cos de diseño y construcción, conviene dife-renciar los diques en talud de los diques verti-cales.

Diques en talud

Se tratan de forma separada la fase de Proyec-to de la de Construcción, con el fin de exponerde una forma clara las medidas que puedenadoptarse en estas dos etapas.

Consideraciones sobre el proyecto

DISEÑO DEL ESPALDÓN

La casi totalidad de los diques en talud cons-truidos en España están coronados con unespaldón, cuya misión fundamental es controlarlos rebases sobre el dique.

El espaldón es una estructura rígida, normal-mente construido con hormigón en masa ycimentado sobre el dique a cotas por encima dela bajamar.

Ponencia presentada por Juan Ignacio Grau Albert, Subdirector deInfraestructuras y Tecnologías Marítimas de Puertos del Estado, durante lacelebración de las IV Jornadas sobre Proyectos y Obras en las AutoridadesPortuarias celebradas en Alicante

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Por tanto se trata de un tipo de estructurafuertemente solicitada por el oleaje cuandorompe sobre el talud del dique y a la que hayque prestar especial atención. En la fig. 1 seha representado de forma esquemática laacción del oleaje sobre el espaldón y sucimiento.

Para su diseño, además de determinar la solici-tación máxima debida al oleaje y comprobar lasuficiente capacidad resistente de la estructuradiseñada, hay que analizar con el máximo deta-lle la protección de su cimiento y la cota decoronación.

PROTECCIÓN DEL CIMIENTO DEL ESPALDÓN

Para asegurar la estabilidad del espaldón esfundamental garantizar la de su cimiento, man-teniéndolo protegido frente a la acción directadel oleaje e impidiendo el lavado del material decimiento hacia el mar.

La protección del cimiento frente al oleaje seconsigue cerrando el manto principal contra elalzado del espaldón por encima de su base.La fuga del material de cimiento se previenedisponiendo las correspondientes capas defiltro, en función de la granulometría del

núcleo y del tamaño de los bloques del mantoprincipal.

En el esquema representado en la fig. 2 la pro-tección del cimiento se consigue con la disposi-ción indicada en el párrafo anterior. Sin embar-go, conviene llamar la atención de que, sobre lacota de cimiento, se ha dispuesto una sola capade bloques, mientras que en el resto del taludse ha mantenido doble capa.

Por otra parte el espaldón está cimentado justoen el borde del talud de la capa de filtro, care-ciendo de una berma horizontal.

Esta disposición, si se produce algún movi-miento en los bloques de coronación del mantoprincipal, dejará expuesto el filtro de escollera ala acción directa del oleaje, situación no previs-ta en el diseño, que ocasionará:

• Socavación del borde exterior del cimientodel espaldón

• Basculamiento del espaldón hacia el mar,amplificado por la ausencia de berma.

• Filtración directa a través de la cimentaciónde flujos de agua originados por la rotura deloleaje, con velocidades elevadas, que pue-den provocar el arrastre de partículas delcimiento y asientos importantes en el espal-dón

En la fig. 3 se indica una solución que mejora deforma considerable las condiciones de protec-ción del cimiento del espaldón.

Como puede observarse, el manto de bloquesse cierra con una configuración que, tanto enhorizontal como en vertical, contiene comomínimo dos bloques. Por otra parte la geometríadel manto exterior implica indirectamente laexistencia de una berma a nivel de cimientoEsta disposición presenta las siguientes venta-jas sobre la anterior:

• Si se produce algún movimiento en los blo-ques de la primera capa, la segunda sigueprotegiendo al filtro.

• Disminución de la solicitación debida al olea-je sobre el espaldón, al estar protegido enaltura por dos bloques.

• Existencia de una berma por delante delborde exterior del espaldón, con una anchuramínima tal que permite que los bloquesadyacentes al espaldón queden apoyados enun plano horizontal.

������������������������������������������������������������������������������������Figura 1. Acción deloleaje

R: Rebase. Actúa sobre el trasdós del espaldón.E: Empuje directo sobre el alzado del espaldón.S: Subpresión. Actúa sobre la base del espaldón.F: Fuerzas de filtración. Actúan sobre el cimiento.

Figura 2. Espaldóncon proteccióninsuficiente delcimiento

L: Lado del cubo equivalente delmanto principal.

• Aunque se produzca una compactación ydescenso de los bloques del talud, los blo-ques de coronación no los seguirán en sumovimiento y permanecerán protegiendo elcimiento del espaldón.

• La berma delantera favorece la estabilidaddel espaldón y minimiza sus movimientos.

Las capas de filtro dispuestas deben ser lassuficientes para poder garantizar que no se pro-duce una fuga del material del núcleo del diquea través del manto principal. Por tanto, sunúmero y características granulométricasdependerán de la granulometría del “todo uno”que proporcione la cantera para la construccióndel núcleo del dique y del peso de los elemen-tos del manto principal. Cuando los elementosde protección tienen un peso importante, en unprincipio hay que pensar en disponer un mínimode dos capas de filtro.

Las consecuencias de una inadecuada disposi-ción de filtros se traduce en un proceso de lava-do del núcleo del dique que ocasionará asien-tos en el espaldón y socavones en su trasdós.Estos defectos siempre resulta complicadocorregirlos con la obra ejecutada.

Otra característica interesante del esquemaindicado en la fig. 3 es el apoyo directo delespaldón sobre las capas de la escollera de fil-tro. Con esta disposición se consigue:

• Disipación rápida de las presiones intersticia-les actuantes en la base del espaldón, gene-radas por el oleaje, aspecto que no quedagarantizado si se cimienta sobre el “todouno” del núcleo, sobre todo si tiene baja per-meabilidad.

• La posibilidad de socavación del espaldónpor arrastres es mucho menor que cuando elespaldón se cimienta directamente sobre elnúcleo del dique, ya que los elementos de laescollera son mas pesados.

En la fig. 4 se muestra una solución equivalen-te a la de la fig. 3, con la única diferencia deque el espaldón se apoya directamente sobrela primera capa de filtro, mientras que lasegunda, cierra contra su alzado. Con estadisposición, el espaldón queda protegido enmayor altura frente a la acción directa del olea-je, con lo que, a igualdad de condiciones, dis-minuye el grado de la solicitación debida aloleaje y por tanto mejora sus condiciones deestabilidad. Como inconveniente hay que indi-car que aumenta la medición de bloques delmanto principal.

ASPECTOS A CONSIDERAR PARA DETERMINAR LA COTA

DE CORONACIÓN DEL ESPALDÓN

La cota de coronación del espaldón, ver fig. 5,debe establecerse atendiendo tanto a condicio-nantes de operatividad como de integridadestructural.

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��������������������������������������������������� � ��������������������������������������������� L: Lado del cubo equivalente delmanto principal.

Figura 3. Secciónde espaldón conprotección mínimade cimientorecomendada.Disposición 1

L: Lado del cubo equivalente delmanto principal.

��������������������������������������������������� � �������������������������������������������������������������������������Figura 5. Influenciade la cota decoronación delespaldón en laestabilidad del dique

Figura 4. Secciónde espaldón conprotección mínimade cimientorecomendada.Disposición 2

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La operatividad habitualmente se establece cal-culando el número y volumen de los rebasesque se producen en el año medio y analizandosi resultan compatibles con las condiciones deexplotación del puerto o de las instalacionesdispuestas en las explanadas adjuntas a losdiques.

Además de esta comprobación debe realizarseuna verificación de la integridad estructuralfrente a los rebases, bien del talud interior deldique en el caso que esté exento o de pavimen-tos, instalaciones o mercancías que puedendisponerse en explanadas próximas al dique. Elestudio debe realizarse con el temporal de cál-culo o con otro de menor importancia pero que,en cualquier caso, deberá tener un periodo deretorno importante.

Estas comprobaciones deben repetirse cuantasveces cambien los condicionantes de explota-ción o se dispongan instalaciones diferentes alas consideradas en el proyecto primitivo.

Para el cálculo del número de rebases y volú-menes asociados existen formulaciones analíti-cas, aunque los resultados lleven aparejado unelevado grado de incertidumbre. Como alterna-tiva para su determinación se puede recurrir almodelo físico.

Sin embargo, para la valoración de los efectosque los rebases tendrán sobre la integridadestructural de las explanadas de trasdós de losdiques y las instalaciones dispuestas en ellas,no existen formulaciones analíticas. El problemaúnicamente puede abordarse con ensayos enmodelo físico y aún en este supuesto hay quetener presente que, los efectos de escala delmodelo pueden distorsionar de manera impor-tante los resultados obtenidos.

La experiencia demuestra que los diques reba-sables con explanadas en su trasdós son unafuente de problemas. Para evitarlos la soluciónmás prudente es diseñarlos como si prácti-camente fueran irrebasables, lo que se consi-gue coronando el espaldón a una cota com-prendida entre 1,6 y 1,8 Hs (altura de olasignificante del temporal de diseño del dique)con respecto al nivel del mar de referencia. Aestos efectos, además de las variaciones delnivel del mar debido a las mareas astronómi-cas, hay que tener en cuenta las sobreelevacio-nes debidas a causas meteorológicas (depre-siones).

Con esta medida, aunque se realice una mayorinversión inicial, la experiencia demuestra quese evitan problemas en el futuro, tales como

socavones en explanadas y bajo el espaldón,rotura de pavimentos e instalaciones y la nece-sidad de tener que acabar recreciendo el espal-dón además de tener que reparar los dañosocasionados.

En casos particulares en los que se admitanrebases, y en función de su intensidad, habráque adoptar medidas especiales de protecciónen la zona de explanada adyacente al espaldón,tal como construir una losa de hormigón.

La combinación de espaldón coronado a cotabaja y cimiento de “todo uno” mal protegido,puede tener consecuencias desastrosas para elpropio espaldón al producirse socavación en sutrasdós y arrastre de material bajo su base, loque originará importantes asientos en el mismo.

Como recomendación general cabría establecerque son admisibles diques rebasables única-mente en el caso de que estén exentos, la agita-ción transmitida a las aguas abrigadas seacompatible con la explotación de los atraques,esté asegurada la integridad estructural deldique tanto en el talud lado mar como en el ladopuerto y que se consiga un importante ahorroeconómico.

DIMENSIONES MÍNIMAS DE LAS BERMAS DE APOYO

DE LOS MANTOS

El manto principal de un dique se construyeapoyando su pie en una berma, normalmentede escollera, aunque si el peso requerido esimportante, hay que recurrir a bloques de hor-migón.

El funcionamiento correcto de esta berma esfundamental para la estabilidad del manto prin-cipal y, por tanto, del dique. Si falla la berma, seproducirá un deslizamiento del manto de blo-ques aunque esté sobredimensionado.

La repercusión económica del coste de laberma, dentro del conjunto del dique, es peque-ña. Por tanto, se trata de un elemento donde sepuede conseguir aumentar la seguridad deldique con incrementos de coste poco significa-tivos.

Las bermas se construyen bajo el agua lo queintroduce un factor de incertidumbre sobre lasdimensiones realmente conseguidas. En el casode utilizar escolleras también existe incertidum-bre sobre los pesos realmente dispuestos.

Todas estas características: necesidad de cons-truir un elemento muy seguro, poder conseguir-

lo con poco coste relativo, incertidumbre en lasdimensiones realmente conseguidas etc.,hacen muy recomendable dimensionar las ber-mas con una configuración geométrica muyholgada.

En la fig. 6 puede verse un ejemplo con bermaa medio talud, donde el resguardo adoptadocon respecto al pie del manto de bloques esde dos veces el lado de la escollera con quese construye. Como la escollera es de 2,8 t, elresguardo es de 2 m. Con los medios cons-tructivos que se dispone actualmente esimpensable construir nada bajo el agua conuna dimensión inferior al metro. Por tantodesde un punto de vista exclusivamentedimensional, se ve que el diseño está muyajustado. Por otra parte si la berma se hadiseñado admitiendo cierto nivel de daños secomprende que, al menor movimiento de laescollera integrante, el manto de bloques sequedará sin apoyo propiciando su desliza-miento.

En las fig. 7 y 8 pueden verse dos esquemas deberma de apoyo, a medio y a pie de talud, conlas dimensiones mínimas que se consideranrecomendables para asegurar su funcionalidad.Como puede verse, en altura se recomiendadisponer un mínimo de tres piezas y cuatro pie-zas como resguardo horizontal con respecto alpie de talud de manto.

Consideraciones sobre el procesoconstructivo del espaldón

En la mayoría de los casos el espaldón estáproyectado como una estructura monolítica dehormigón en masa escalonada en altura, comopuede verse en la fig. 9. Sin embargo cuandose construye, se hormigona por bloques, cre-ando juntas de hormigonado permanentes queconstituyen planos de menor resistencia que laconsiderada en el Proyecto por los que elespaldón puede deslizar y o volcar. El resulta-do es que se construye un muro de bloquesindependientes en vez de una estructuramonolítica.

Nunca puede aceptarse este procedimientoconstructivo sin una verificación de que laestructura ni desliza ni vuelca por los planosque definen las juntas. A tales efectos, se consi-derará que el hormigón tiene una resistencia atracción nula y la resistencia a corte de la juntadeberá calcularse según lo indicado en el Artí-culo 47.2 de la EHE. Esta resistencia evidente-mente es mucho menor que si el espaldónfuese monolítico.

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Figura 6. Sección dedique con berma deapoyo del manto debloques a medio talud.Dimensión de bermainsuficiente

Figura 7. Sección deberma recomendadade apoyo de bloquesa pie de talud

L: Lado del cuboequivalente de laescollera de laberma

L: Lado del cubo equivalente delas piezas de la berma

Figura 8. Sección deberma recomendadade apoyo de bloquesa medio talud

L: Lado del cuboequivalente de laspiezas de laberma

Figura 9. Comparaciónentre sección deespaldón proyectada yconstruida

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Si se comprueba que la capacidad resistente delas juntas es insuficiente y se quiere mantener elhormigonado por bloques, habrá que tomarmedidas especiales en el tratamiento de las jun-tas, tales como construir llaves de hormigona-do, disposición de conectores metálicos o cual-quier otro procedimiento que esté probado, seafiable y que restituya la capacidad resistentenecesaria a la junta.

Diques verticales

Consideraciones sobre el proyecto

ELECCIÓN DE LA TIPOLOGÍA EN FUNCIÓN

DEL TERRENO DE CIMENTACIÓN

No es nada recomendable proyectar diquesverticales cuando el fondo marino está consti-tuido por suelos arcillosos blandos.

Aunque la construcción de cualquier tipo deobra sobre estos suelos siempre es complica-da, se asumen menos riesgos proyectando unatipología de dique en talud.

Tampoco resulta recomendable el diseño dediques verticales en aguas someras. En casocontrario habrá que tener precaución tanto en laestabilidad de la berma como en evitar la soca-vación del terreno natural.

COTA DE CORONACIÓN DE LOS CAJONES

La cota de coronación de los cajones utilizadosen la construcción de diques verticales debefijarse con criterios diferentes a los utilizados encajones para muelles, lo que conduce a mayo-res cotas de coronación.

Dicha cota se fijará en función de los siguientesparámetros:

• Carrera de marea

• Régimen medio de oleaje

• Asiento previsible del cimiento

La cota finalmente elegida debe permitir, unavez fondeado el cajón, unas condiciones de tra-bajo aceptables tanto en el relleno de las celdascomo en la construcción del espaldón.

A título de ejemplo se puede indicar que la cota+1 para cajones de muelle en el Mediterráneoes admisible, pero no puede decirse lo mismo siesos cajones se utilizan en un dique.

SELLADO DE CELDAS

En el Proyecto del dique debe preverse untapón de hormigón para el sellado de las celdasde los cajones una vez rellenas, con el fin impe-dir el lavado de material en caso de producirserebases durante la construcción del dique y evi-tar acciones de oleaje no previstas sobre lasparedes interiores de los cajones.

DISEÑO DEL ESPALDÓN

Tal como se ha hecho en el estudio del espal-dón de un dique en talud se analizarán los dosaspectos allí considerados: cimentación y cotade coronación.

CIMENTACIÓN DEL ESPALDÓN

La diferencia fundamental de los espaldonesconstruidos en diques verticales, con respectoa los construidos en diques en talud, se refiere asu cimentación. En el caso de diques verticalesel espaldón se apoya directamente sobre loscajones de hormigón con lo que, las condicio-nes de cimentación, ofrecen mucha mayor fiabi-lidad que si se cimienta sobre escollera y “todouno”. Prácticamente se pueden descartar todoslos problemas derivados de asientos, socava-ción del cimiento, hundimiento etc., quedandocomo únicos modos de fallo, el deslizamiento yvuelco.

En la fig. 10 puede verse una forma típica decimentar un espaldón en un dique vertical.Como puede observarse, el hormigón de subase penetra en las celdas del cajón con objetode mejorar sus condiciones de seguridad frenteal deslizamiento y para garantizar que la juntacajón-espaldón sea impermeable a los flujos deagua originados por el oleaje y, consecuente-mente, impedir la actuación de subpresiones enla base del espaldón. La necesidad de pasar lasarmaduras verticales del cajón al espaldón esuna cuestión que depende únicamente de sison necesarias para asegurar su estabilidad. Enun principio los espaldones deben diseñarsepara que sean estables con su peso o con unacontribución moderada de la armadura verticaldel cajón.

ASPECTOS A CONSIDERAR PARA DETERMINAR LA

COTA DE CORONACIÓN DEL ESPALDÓN

En un principio resulta de aplicación lo dichopara el espaldón sobre un dique en talud, conlas siguientes salvedades:

• A igualdad del resto de condicionantes eldique vertical es más rebasable que el diqueen talud. Es decir, si se quiere mantener lasmismas condiciones de rebase, el espaldónen un dique vertical deberá coronarse amayor cota que en un dique en talud.

• En diques verticales rebasables es conve-niente proteger la coronación del dique conuna losa de hormigón con el fin de prevenirdaños en la superestructura o en los propioscajones.

• El espaldón en diques verticales, debido asus condiciones de cimentación, práctica-mente no se ve afectado por la acción de losrebases.

Consideraciones sobre el procesoconstructivo

CONSTRUCCIÓN DEL DIQUE

Los diques verticales, durante su construcción,son menos vulnerables que los diques en taludante temporales de baja intensidad ya que loscajones, una vez rellenos, tienen una elevadaresistencia a deslizar o volcar. Por otra parte, loscajones normalmente se fondean a una profun-didad importante donde el efecto del oleaje estámuy amortiguado.

Sin embargo esta circunstancia no exime detomar todo tipo de precauciones durante elproceso constructivo con el fin de no correrriesgos innecesarios ante la presentación detemporales más fuertes. No debe permitirse,por ejemplo, tener todos los cajones deldique fondeados y rellenos sin haber coloca-do los bloques de guarda y la escollera deprotección de la banqueta de cimiento. Estaforma de proceder es la mas cómoda desdeel punto de vista constructivo, sin embargotiene riesgos importantes en el caso de quese presente un temporal que desestabilice ala escollera de filtro y al “todo uno” de labanqueta de cimentación. A estos efectosresulta especialmente peligrosa la zona pró-xima al pie del cajón, debido a las corrientesque se originan por la reflexión del oleajesobre la pared vertical del propio cajón. Secomprende, por tanto, la importancia de pro-teger esta zona con el bloque de guarda loantes posible.

Los diques verticales deben construirse a sec-ción completa, tal como se define en la fig. 11,con los desfases mínimos impuestos por nece-sidades constructivas. Si bien el vertido de

“todo uno” y escollera de filtro puede ir muy pordelante del avance del dique, en cuanto se fon-dea un cajón, lo recomendable es proceder deforma inmediata al relleno y sellado de sus cel-das, colocación de los bloques de guarda yescollera de protección del talud exterior de labanqueta. En la construcción del espaldón ysuperestructura pueden admitirse mayores des-fases.

CONSTRUCCIÓN DEL ESPALDÓN

Hay que realizar la misma observación hecha alhablar de la construcción de espaldones endiques en talud.

Si la estructura proyectada se ha comproba-do como si fuera monolítica, no es aceptableconstruirla hormigonada por bloques sintomar ningún tipo de precauciones. A esterespecto es de aplicación lo dicho paradiques en talud, en el punto 3.1.2 “Considera-ciones sobre el proceso constructivo delespaldón”.

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Figura 10. Cimenta-ción del espaldón enun dique vertical��������������������������������������������������������������������������������Figura 11. Sección deavance recomendadaen la construcción deun dique vertical

MUELLES DE GRAVEDAD

Aspectos a tener en cuentaen la ejecución de las obrasen terrenos con una capasuperficial de fangos

En algunos casos se ubican muelles de gra-vedad en terrenos donde existe una capasuperficial de fangos o arcillas blandas, aveces de varios metros de espesor, seguidade terrenos competentes para la cimentaciónde estructuras. Cuando aparecen este tipo deterrenos resulta aconsejable tomar todo tipode precauciones durante la ejecución de lasobras.

Para cimentar el muro, es necesario realizar undragado en zanja de los fangos hasta alcanzarel terreno competente, ver fig. 12.

Una vez realizado el dragado, deben realizarsereconocimientos suficientemente detalladoscomo para poder asegurar, con toda certeza,que no han quedado capas de material blandosin dragar. En el caso de no ser así, los lentejo-nes no retirados actúan como un patín y puedenprovocar el deslizamiento del muro cuando seproceda a rellenar su trasdós.

La zanja de dragado conviene realizarla con unaanchura mayor que la base del muro y adoptarunos taludes de dragado suficientemente tendi-

dos para poder asegurar que no se producirándesprendimientos de talud dentro de la zanjacon posterioridad a la realización del dragado.

En cualquier caso, inmediatamente antes deproceder al vertido de la banqueta de cimen-tación del muro, debe realizarse un reconoci-miento del estado de la zanja para poder estarseguros de que reúne las condiciones ade-cuadas.

Si los fangos se retiran solo en la zanja decimentación pero permanecen en la explanada,práctica que suele ser bastante habitual, al rea-lizar el relleno debe comenzarse por trasdosarel muro, de forma que los fangos se muevanhacia el interior de la explanada, evitando con-taminar al material de trasdós del muro.

También resulta recomendable trasdosar elmuro con pedraplén, para tener la garantía deque el material en contacto directo con el murotiene buenas características resistentes.

En el caso de realizar precargas para consoli-dar los rellenos, se recomienda realizarlas deforma progresiva, dejando los mayores interva-los de tiempo posibles entre la aplicación delos diferentes escalones de carga. Si la precar-ga se realiza de entrada con toda su altura y enun intervalo de tiempo corto, se está sometien-do al muelle a un grado de solicitación muchomás desfavorable que durante su explotación.Esta forma de proceder, si existe algún defectoen el cimiento, provocará el deslizamiento delmuelle. ❖

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Figura 12. Seccióntipo de muellecimentado en unterreno con unestrato blandosuperficial