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LOS ANCLAJES COMO ELEMENTO ESTABILIZADOR Los anclajes constituyen un medio esencial para garantizar la estabilidad de diversas estructuras, lográndose utilizar los procedimientos y posibilidades que la tecnología actual del soporte mediante anclajes pone a nuestra disposición para aplicar la técnica moderna del sostenimiento.
La longitud de los anclajes suele oscilar entre 10 – 80 m y el diámetro de perforación entre 75 – 150 mm.
ESTABILIZACIÓN DE TALUDES MEDIANTE ANCLAJES
INTRODUCCIONINTRODUCCION
En el caso particular que el talud rocoso sea inestable o con un coeficiente de seguridad de baja confidencia, se obtiene la fuerza de anclaje por unidad de longitud de talud, tanto para el caso activo como pasivo, con la finalidad de elevar el mínimo factor de seguridad previamente determinado, a un nuevo coeficiente que garantice la estabilidad del macizo rocoso.
ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD Y DEL SOPORTE MEDIANTEANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD Y DEL SOPORTE MEDIANTEANCLAJES EN TALUDES ROCOSOS CONSIDERANDO ROTURAANCLAJES EN TALUDES ROCOSOS CONSIDERANDO ROTURAPLANAR PLANAR
Se llama rotura planar o plana a aquella en la que el deslizamiento se produce a través de una única superficie plana.Este tipo de rotura no es muy frecuente, ya que deben darse las dos condiciones siguientes:
>Los rumbos o trazas horizontales
del plano del talud y del plano de deslizamiento deben ser paralelos o casi paralelos, formando entre sí un ángulo máximo de 20º
>Los límites laterales de la masa
deslizante han de producir una resistencia al deslizamiento despreciable.
ANÁLISIS DE ESTABILIDAD EN ROTURA PLANARANÁLISIS DE ESTABILIDAD EN ROTURA PLANAR
En el caso de rotura planar el factor de seguridad FS se obtiene de forma directa como cociente entre las fuerzas que tienden a producir el movimiento y las fuerzas resistentes del terreno que se oponen al mismo, proyectadas todas según la dirección del plano de rotura. Al calcular FS de esta manera, se supone implícitamente constante a lo largo de toda la superficie de rotura, lo cual se acepta a pesar de no ser estrictamente cierto.En este caso el factor de seguridad es:
COLOCACIÓN DE ANCLAJESCOLOCACIÓN DE ANCLAJES • Cuando el factor de seguridad
de un talud determinado se considere insuficiente se puede mejorar la estabilidad por medio de la colocación de anclajes con una cierta tensión T, con lo que se consigue aumentar el valor de FS.
• El anclaje realiza dos acciones beneficiosas para la estabilidad de la masa deslizante:
• Su componente horizontal se opone a las fuerzas que tienen al deslizamiento
• Su componente vertical aumenta la resistencia al corte de la discontinuidad.
Considerando la presencia de anclajes la expresión del FS queda como sigue:
Donde:T = T = tensión de anclaje por unidad de longitud de
talud. Será igual al número de anclajes multiplicado por la tensión en cada uno de ellos y dividido por la longitud total de talud.
ѳѳ = = ángulo que forma el anclaje con la normal al plano de deslizamiento ( el plano está situado en el plano de la sección transversal del talud).
CALCULO DE LA FUERZA DEL ANCLAJE CALCULO DE LA FUERZA DEL ANCLAJE CONSIDERANDO EL CASO ACTIVO Y PASIVOCONSIDERANDO EL CASO ACTIVO Y PASIVO
• Los anclajes pueden ser activos, es decir se someten a tracción antes de que ocurra o exista cualquier movimiento de la masa rocosa sobre la estructura. Esto genera la reacción inmediata de las fuerzas tangenciales resistentes de la roca adyacente al miembro estructural (barra o cables) para resistir dicha fuerza de tracción.
• En el caso pasivo los anclajes no se tensan y actúan exactamente como una fuerza resistente, es decir dichos anclajes entran en acción oponiéndose al deslizamiento cuando el macizo rocoso ha comenzado a moverse.
• Por otro lado existen ciertas ventajas de los anclajes activos con relación a los pasivos:
• Los anclajes activos permiten utilizar la resistencia intacta del terreno, por cuanto el desplazamiento de la masa rocosa conduce a una disminución de los parámetros de corte.
• Adicionalmente dicho movimiento puede llagar a producir la rotura del elemento que sirve de protección al tirante contra la corrosión, justamente en el instante en que la resistencia del anclaje es completamente requerida.
• Los anclajes pasivos entran en tracción al oponerse a la expansión o dilatancia que se produce en los planos de discontinuidad del macizo rocoso cuando se inicia el desplazamiento a través de dicho plano dependiendo a la vez de la existencia de las rugosidades.
CASO ACTIVO
Fa=Fuerza activa del Fa=Fuerza activa del tirantetirante
=Ángulo de =Ángulo de inclinación del anclajeinclinación del anclaje
)cos()(.
)(.)cos(.tan.
.
)(
aFsenR
senFURsenR
HC
FSa
a
a
tan)()cos()(
)()(.
senaFs
FSFssenRFa
a
a
aFSmáximo
f
)(
tan)tan(0
)(
Factor de seguridad
Fuerza de anclaje
Angulo de anclaje
300 KN/m2
30 m30 m
76º76º
= 30º
C = 295 KN/m2
= 24 KN/m2
Sat = 25 KN/m2
Kh= 0.20
Kv = 0.10FaFa
Calcular el ángulo Calcular el ángulo y la fuerza de anclaje Fa para un y la fuerza de anclaje Fa para un nuevo factor de seguridad (FS)a=1.50nuevo factor de seguridad (FS)a=1.50
Solución.ψψ
senβenβ.sα)sen(β
R
)12.1.)(/20000(º45º.76)º45º76(
mKnsensen
senR
mKNR /05.16815
50.1)( aFS
aFS)(tan
arctan
50.1º30tan
arctanº45 º24
tan)()cos()(
)()(.
senFs
FSFssenRFa
a
a
º30tan)º24º45()º24º45cos()50.1(
21.150.1)º3.10º45()./05.16815(
sen
senmKNFa
mKNFa /33.2494
Relación entre la fuerza activa y la fuerza pasiva
Fa = Fuerza activaFp = Fuerza pasiva(FS)a = Factor se seguridad activo•= Ángulo plano de fallaa = Ángulo de inclinación en caso activo•p = Ángulo de inclinación en caso pasivo = Ángulo de rozamiento interno
tan).()cos(
.tan).()cos(.)(
pp
aaa
sen
FsenaFSFp
Parámetros 1 y 3
φ.Uε)(αR.senα
C.Hλ tancos1
ε)R.sen(αλ 3
Donde:
1= Fuerza máxima resistente
3= Fuerza movilizadora
Factor de seguridad en el caso pasivoFactor de seguridad en el caso pasivo
300 KN/m300 KN/m22
30 m30 m
76º76º
= 30º
C = 295 KN/m2
= 24 KN/m2
Sat = 25 KN/m2
Kh= 0.20
Kv = 0.10
Fa= 2494.33 KN/m
Ta =410 KN
Fp
Calcular el factor de seguridad en el caso pasivo
tan.)cos(..
1
UR
senHC
)(.3 senR
º30tan./88.2082)º3.10º45)(cos(/05.16815(º45
)30)(/295(1
2
mKNmKN
senmmKN
))º3.10º45()(/05.16815(3 senmKN
mKN
mKN
/39.138243
/21.139551
p º30º45 p º15 p
º30tan).º15º45()º15º45cos(
)/33.2494.(º30tan).º24º45()º24º45cos().5.1(
sen
mKNsenFp
mKNFp /15,3486
mKN
senmKNmKNpFS
/39.13824º30tan).º15º45()º15º45cos()/15.3486(/21,13955
)(
30.1)( p
FS
pa FSFS )()(
Si hacemos que P < A se hace que FA sea menor que FP, lo que resulta en una economía al considerar el caso activo, pues implica menos perforación
En lo referente a obras subterráneas como galerías y túneles de vialidad el problema fundamental que se plantea es el de asegurar el sostenimiento mediante anclajes durante y posterior al periodo de excavación, definiendo y construyendo un soporte y revestimiento capaz de asegurar la estabilidad definitiva de la obra.
UTILIZACION DE ANCLAJES EN EXCAVACIONES SUBTERRANEASgeneralidades
Comprueba en qué medida una tipología de sostenimiento es adecuada a un concreto tipo de roca, así como para evaluar el grado de estabilidad conseguida en la excavación y sostenimiento del túnel. permite detectar posibles inestabilidades que pudieran producirse durante el proceso constructivo, e incluso controlar deformaciones diferidas, una vez terminada la ejecución del túnel, durante su etapa de explotación.
auscultación
CONVERGENCIAS, miden los desplazamientos del contorno del túnel.
EXTENSOMETROS con los INCLINÓMETROSse miden los movimientos en el interior del macizo rocoso. Se emplea también una instrumentación cuyo fin es medir las tensiones en los elementos del sostenimiento:
CÉLULAS DE PRESIÓN (evalúa tensiones en el material)CÉLULAS DE CARGA (mide tensiones en los bulones.
Materiales:Materiales:
PIEZÓMETROS. (Conocer la profundidad del nivel freático).• TERMÓMETROS (Medir las temperaturas de la roca).• MEDIDOR DE ASIENTOS (Medir los asientos
superficiales)
La lectura automática se hace mediante cuerda vibrante o potenciómetros (se lee de forma digital).
Resumen de las auscultaciónes más frecuentes dentro del campo de las obras subterráneas.
El punto de medida debe ir protegido para aislarlo del polvo del ambiente.
En una sección generalmente se colocan entre tres y cinco puntos
Lo más habitual es un punto en clave y otros dos.
Las medidas deben hacerse diariamente hasta que se haya alcanzado la estabilización de los movimientos.
La medida de convergencias sólo se conoce la variación de distancias entre los puntos de medida, pero no su movimiento real.
Lo que interesa es conocer si la deformación se estabiliza y cuánto tarda en estabilizarse, así como comparar unas secciones con otras.
Se coloca una sección cada 25 metros en túneles normales de carretera, y cada 10 ó 15 metros en zonas de especial problemática.
En ciertas ocasiones resulta muy conveniente controlar los asientos superficiales por encima del túnel. Esto es especialmente evidente en túneles urbanos, donde existen edificaciones próximas a excavación. En minería suele hacer, salvo circunstancias especiales.
El método habitual de medida es topográfico, utilizando un nivel de precisión.
MEDIDA DE ASIENTOS SUPERFICIALES
Es poder disponer a diario, durante la ejecución del túnel, de gráficos con curvas donde se representen las lecturas actualizadas para cada día.
Esto permite observar rápidamente la tendencia a la estabilización.
Se preparan también unos gráficos XY y basta cada día con introducir la nueva medida e imprimir la gráfica actualizada.
REPRESENTACION DE DATOS E INTERPRETACION DE RESULTADOS
Para este análisis es necesario utilizar datos muy precisos y lo más completos posible (resultados de extensómetros e inclinómetros).
Una vez analizada la excavación por el método de Auscultacion obtendremos la grafica siguiente:
ANCLAJES EN EXCAVACIONES SUBTERRANEASLa concentración de
esfuerzos en el lugar de excavación puede ser la causante de la roca fracturada pueda desplazarse comprometiendo la estabilidad de la bóveda y de los hastiales del túnel.
Cabe destacar también, que el sistema de muros anclados o sistema de contención por medio de anclajes, bien sea expansivos o pasivos, es cada vez de mayor utilización.
MUROS ANCLADOSESTRUCTURAS ANCLADAS
Las estructuras ancladas incluyen los pernos metálicos utilizados para sostener bloques de roca, las estructuras con tendones pretensionados, anclados en el suelo y los tendones pasivos no pretensionados.
Los anclajes en roca pueden realizarse de muchas formas:Los anclajes en roca pueden realizarse de muchas formas:
1. Dovela de concreto. Reforzada para prevenir que se suelte un bloque de roca en la cresta de un talud. Estos pernos son comúnmente varillas de acero colocadas en huecos preperforados, inyectando una resina epóxica o cemento, las varillas generalmente, no son tensionadas debido a que la roca puede moverse al colocar la tensión, se utiliza hierro de alta resistencia en diámetros que varían desde ½ a 1.5 pulgadas.
Mallas exteriores Son de alambre galvanizado ancladas con pernos para evitar la ocurrencia de desprendimientos de bloques de roca o material.
Anclajes tensionados. Para impedir el deslizamiento de bloques de roca a lo largo de un plano de estratificación o fractura. Estos anclajes, generalmente utilizan cable de acero, los cuales se colocan en huecos preperforados e inyectados. La fuerza de tensionamiento depende de la longitud y características del anclaje y no es raro utilizar fuerzas hasta de 50 toneladas por ancla.
Muro anclado. (prevenir el deslizamiento de una zona suelta) Incluyen concreto para prevenir el movimiento de bloques en una zona fracturada y además impide la presión de agua (filtración).
• El diseño puede realizarse utilizando varios procedimientos. Los más comunes son:
• El método de la cuña anclada • Utilización de análisis de
estabilidad de taludes por los procedimientos de Bishop o de Janbu. Algunos diseñadores utilizan la teoría de presión de tierra de Rankine o Coulomb para calcular las presiones sobre los muros anclados.
MUROS ANCLADOS
Primero se analizara la estabilidad del bloque de suelo que constituye el macizo de anclaje.
En caso de que haya anclajes a un solo nivel, se analiza tomando una superficie potencial de falla.
Esta superficie va de la base del muro hasta el punto medio de la longitud efectiva de anclaje.
Si los anclajes se sitúan por debajo de la base del muro, se elimina este tipo de estabilidad.
La solución de la estabilidad se puede realizar por el polígono de fuerzas o en una forma más precisa, por sumatoria de fuerzas.
Método de la cuña anclada
Ts x s > T M
Donde:TM = Tracción límite admisible calculada por el análisis global.Ts Fs = Fuerzas calculadas para garantizar el equilibrio.
Método de Kranz
Se eligen las longitudes l de las filas de anclajesSe define el mecanismo de rotura de la figuraSe calculan las cargas en los anclajes A’i que equilibranla cuña de terrenoSi las cargas calculadas son superiores a las cargas límites delos anclajes, se cambian las longitudesde los anclajes y se vuelven a calcular las cargas.
Este sistema es el más utilizado en la actualidad por la posibilidad de empleo de programas de Software de estabilidad de taludes.
El sistema consiste en colocar una serie de cargas vectoriales simulándolas las anclas sobre las dovelas. En el análisis de estabilidad por el sistema de Bishop o Janbu el factor de seguridad se calcula siguiendo el procedimiento normal de los programas.
Sistema de análisis Janbú o Bishop
• Es un método de refuerzo in situ utilizando micropilotes vacíos capaces de movilizar resistencia a tensión en el caso de ocurrencia de un movimiento. Se diferencian de los pilotes en cuanto los micropilotes no resisten cargas laterales a flexión.
• Los micropilotes pueden ser hincados o inyectados
en perforaciones previamente realizadas. Junto con el suelo estos alfileres o nail forman una estructura de suelo reforzado.
Micropilotes (Soil nailing)
Los nail o alfileres se diferencian de los anclajes en el sentido de que son pasivos, o sea, que no son postensionados. Adicionalmente los Nails están muchos más cercanamente espaciados que los anclajes.
Los micropilotes pueden ser varillas de acero, tubos o cables que se introducen dentro del suelo natural o la roca blanda y son inyectados dentro de huecos preperforados. Generalmente son espaciados a distancias relativamente pequeñas.
Comúnmente se utiliza un alfiler por cada uno o seis metros cuadrados de suelo de superficie. La estabilidad de la superficie del terreno es controlada por una capa delgada de concreto lanzado, de espesor de 12 a 18 centímetros con una malla de refuerzo. Estas estructuradas se les utilizan tanto en suelos granulares como cohesivos.
sistemas de funcionamiento de los micropilotes:
1. Micropilotes que transfieren las cargas a través de suelos sueltos o blandos a un material mucho más competente. En este caso los micropilotes se diseñan anclados.
2. Micropilotes dos factores así:
a. Desarrollo de fricción o adhesión en la interfase suelo alfiler.
b. Resistencia pasiva desarrollada a lo largo de la superficie perpendicular a la dirección del soil nailing.
Este sistema es mucho más efectivo en suelos granulares duros y en arcillas limosas competentes. El suelo debe tener suficiente resistencia para resistir un talud vertical de aproximadamente dos metros de altura sin deformación.
No es muy efectivo en suelos granulares sueltos o en arcillas blandas. La presencia de niveles freáticos altos también puede representar dificultades de construcción.
Esta tecnología ha sido utilizada especialmente para la estabilización de excavaciones temporales y hay alguna preocupación sobre la corrosión del material utilizado; sin embargo, en el mercado han aparecido materiales y protecciones de alta resistencia a la corrosión.
El diseño de taludes con Nails generalmente, se basa en análisis de equilibrio límite, calculando factor de seguridad.
Los sistemas incluyen el diseño de espaciamiento, tamaño, y longitud de los Nails y el diseño del recubrimiento de la superficie.
Para taludes permanentes el diseño debe considerar siempre medidas de protección contra la corrosión.
Para el diseño del sistema puede escoger el método que considere más apropiado basado en su experiencia y sentido común. Algunos de los métodos de diseño se presentan en la tabla.
CONCLUSIONES
El uso de anclajes es adecuado como elemento estabilizador en taludes que están sometidos a esfuerzos de sobrepresión o efectos sísmicos producidos por el paso de tránsito pesado.
Estos elementos de resistencia contribuyen al aumento de la capacidad de resistencia de roca, las cuales para su colocación se han considerado las condiciones máximas de resistencia de la roca.
