UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS Escuela Profesional de Ingeniería Civil
MECÁNICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES CIMENT ACIONES Y VÍAS VÍAS DE TRANSPORTE Semana diez
MUROS DE CONTENCIÓN
Ing. Percy De La Cruz I.
MUROS DE CONTENCIÓN Definición: son estructuras que tienen la finalidad de pro propor porciona cionarr est estabilid abilidad ad contra contra la ro rotur turaa de macizos de tierra o roca, soportando las presiones laterales o empuje que pueden ser producidas produc idas por el peso propio del macizo o sobrec sobrecargas argas aplicadas sobre él. él . Su estabilidad se debe fundamentalmente al peso propio y al peso del material que está sobre su fundación. Existen muros masivos rígidos y muros masivos flexibles:
Muros masivos rígidos Las estructuras rígidas, generalmente rígidas, generalmente de concreto, concreto , las cuales no permiten deformaciones deformaciones importantes sin romperse. romperse . Se apoyan sobre suelos competentes para transmitir fuerzas de su cimentación al cuerpo del muro y de esta forma generar fuerzas de contención (figura 2.28).
Muros masivos flexibles Son estructuras masivas, flexibles. Se adaptan a los movimientos. Su efectividad depende de su peso y de la capacidad de soportar deformaciones deformaciones importantes importantes sin que se rompa su estructura (figura 2.29).
MUROS DE CONTENCIÓN Definición: son estructuras que tienen la finalidad de pro propor porciona cionarr est estabilid abilidad ad contra contra la ro rotur turaa de macizos de tierra o roca, soportando las presiones laterales o empuje que pueden ser producidas produc idas por el peso propio del macizo o sobrec sobrecargas argas aplicadas sobre él. él . Su estabilidad se debe fundamentalmente al peso propio y al peso del material que está sobre su fundación. Existen muros masivos rígidos y muros masivos flexibles:
Muros masivos rígidos Las estructuras rígidas, generalmente rígidas, generalmente de concreto, concreto , las cuales no permiten deformaciones deformaciones importantes sin romperse. romperse . Se apoyan sobre suelos competentes para transmitir fuerzas de su cimentación al cuerpo del muro y de esta forma generar fuerzas de contención (figura 2.28).
Muros masivos flexibles Son estructuras masivas, flexibles. Se adaptan a los movimientos. Su efectividad depende de su peso y de la capacidad de soportar deformaciones deformaciones importantes importantes sin que se rompa su estructura (figura 2.29).
MUROS RIGIDOS
Concreto armado Concreto ciclópeo Figura 2.28. Esquema de muros rígidos (Suárez, 2009).
MUROS FLEXIBLES
Figura 2.29. Esquema de muros flexibles (Suárez, 1998).
Los muros de contención también se puede clasificar de la siguiente manera:
Muros de gravedad: Son muros con gran masa que resisten el empuje mediante su propio peso y con el peso del suelo que se apoya en ellos; suelen ser económicos para alturas moderadas, menores de 5 m, son muros con dimensiones generosas, que no requieren de refuerzo. Los muros de gravedad pueden ser de concreto ciclópeo, mampostería, piedra o gaviones. La estabilidad se logra con su peso propio, por lo que requiere grandes dimensiones dependiendo del empuje. La dimensión de la base de estos muros oscila alrededor de 0,4 a 0,7 de la altura. Por economía, la base debe ser lo mas angosta posible, pero debe ser lo suficientemente ancha para proporcionar estabilidad contra el volcamiento y deslizamiento, y para originar presiones de contacto no mayores que las máximas permisibles.
Muros en voladizo: Este tipo de muro resiste el empuje de tierra por medio de la acción en voladizo de una pantalla vertical empotrada en una losa horizontal (zapata), ambos adecuadamente reforzados para resistir los momentos y fuerzas cortantes a que están sujetos. Estos muros por lo general son económicos para alturas menores de 10 metros, para alturas mayores, los muros con contrafuertes suelen ser más económicos. La forma más usual es la llamada T, que logra su estabilidad por el ancho de la zapata, de tal manera que la tierra colocada en la parte posterior de ella, ayuda a impedir el volcamiento y lastra el muro aumentando la fricción suelo-muro en la base, mejorando de esta forma la seguridad del muro al deslizamiento.
Muros con contrafuertes: Los contrafuertes son uniones entre la pantalla vertical del muro y la base. La pantalla de estos muros resiste los empujes trabajando como losa horizontalmente, son muros de concreto armado, económicos para alturas mayores a 10 metros. Los contrafuertes se pueden colocar en la cara interior de la pantalla en contacto con la tierra o en la cara exterior donde estéticamente no es muy conveniente.
Los muros con contrafuertes representan una evolución de los muros en voladizo, ya que al aumentar la altura del muro aumenta el espesor de la pantalla, este aumento de espesor es sustituido por los contrafuertes; la solución conlleva un armado, encofrado y vaciado mas complejo.
Tabla 2.11. Ventajas y desventajas de los diversos tipos de muro rígido
Tabla 2.12. Ventajas y desventajas de los diversos tipos de muro flexible
Nota. Tomado de Suárez (1998).
PASOS EN EL DISEÑO DE MUROS PARA LA ESTABILIZACIÓNDE DESLIZAMIENTOS Tabla 3.13. Pasos a seguir en el diseño de muros de contención para estabilizar deslizamientos.
DIMENSIONAMIENTO DE MUROS DE CONTENCIÓN DE GRAVEDAD Y VOLADIZO Para el dimensionamiento de muros de contención en voladizo y gravedad existen diferentes bibliografías, por lo cual podemos usar las recomendaciones de Braja (2006) en donde muestra las proporciones generales de diferentes componentes de muros de contención usados para las revisiones iniciales (figura 3.30). Para la profundidad de cimentación se considera según Braja (2006) en donde menciona que la profundidad, Df de fundación, hasta la base de la losa debe tener por lo menos 0.6m . Al respecto la norma AASHTO (2002), recomienda que la profundidad de fundación Df, no será menor de 60cm (2 pies) en suelos sólidos, sanos y seguros. En otros casos y en terrenos inclinados la Df no será menor de 120cm (4 pies). La norma E-050 del RNE (2006) recomienda como mínimo 0.80 m para cimentaciones superficiales. Figura
3.30.
Dimensiones aproximadas para varias componentes de muros de retención para revisiones iniciales de la estabilidad: (a) muro de gravedad; (b) muro en voladizo (Braja, 2006).
2.11.2. ESTABILIDAD DE MUROS DE CONTENCIÓN El análisis de la estructura contempla la determinación de las fuerzas que actúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de tierra, peso propio, peso de la tierra de relleno, cargas y sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad al volcamiento y deslizamiento, así como el valor de las presiones de contacto. Respecto a lo anterior la publicación No. FHWA NHI-06-089 (2006) considera verificar lo siguiente: Revisión por volteo (respecto a la punta) Revisión por deslizamiento a lo largo de la base Revisión por falla de capacidad de carga Revisión de la estabilidad global (conjunto). •
•
•
•
(a) Volteo
(b) Deslizamiento
(c) Capacidad de carga
(d) Estabilidad global
Figura 2.35. Mecanismos de falla en muros de contenci ón (Publicación No. FHWA NHI-06-089, 2006).
A. Revisión por volteo El factor de seguridad mínimo contra volteo respecto a la punta es 2 para el análisis estático y 1.5 para el sísmico. Este factor de seguridad se define como: () =
Dónde:
Ʃ Ʃ
(2.29)
Ʃ = suma de los momentos de las fuerzas que tienden a voltear al muro respecto
a la punta (Momento actuante o desestabilizador) Ʃ = suma de los momentos de las fuerzas que tienden a resistir el volteo respecto a la punta (Momento resistente o estabilizante). Los momentos actuantes son generados por el empuje activo del relleno y por el empuje de la sobrecarga que puede existir sobre él. Los momentos resistentes o estabilizantes son debidos al peso de la estructura y del suelo que está apoyado sobre el talón y la punta del muro.
El empuje pasivo del relleno sobre la punta y la sobrecarga, también generan momentos resistentes que contribuyen a la estabilidad de muro, pero que generalmente, por seguridad, no se considera, ya que el relleno sobre la punta puede ser removido y no hay garantía de permanencia
B. Revisión por deslizamiento a lo largo de la base Este factor de seguridad por deslizamiento se expresa por la ecuación: () =
Ʃ′
(2.30)
Ʃ
Donde: Ʃ′ = Fe = suma de fuerzas horizontales resistentes (Fuerzas estabilizantes) Ʃ =Fd=suma de fuerzas horizontales de empuje o actuante (Fuerzas desestabilizadoras). La figura 2.36 muestra que la fuerza pasiva es también una fuerza resistente horizontal en el caso que se considere. Por consiguiente: Ʃ′ = (Ʃv)tanb + B +
• • •
b = ángulo de fricción entre el suelo y la losa de base = adhesión entre el suelo y la losa de base
(2.31)
ƩV = suma de las fuerzas verticales
La única fuerza horizontal que tenderá a generar un deslizamiento en el muro (fuerza de empuje) en el análisis estático es la componente horizontal de la fuerza activa , por lo que: Ʃ = cos
(2.32)
= ángulo de inclinación del empuje activo con la horizontal
Finalmente usando las ecuaciones (2.30), (2.31) y (2.32) se obtiene:
La adhesión entre el suelo y la losa de base está en función a la cohesión del suelo de fundación, por ello cuando la cohesión es c=0, entonces se tendrá también = 0. Hay recomendaciones de Braja (2006) en donde describe que: = k1’2 y = k2xc2. En la mayoría de los casos, k1 y k2 están en el intervalo de 1/2 a 2/3. Donde: ’2 y c2 son parámetros del suelo de fundación. Braja (2006) menciona que en muchos casos se desprecia la fuerza pasiva en el cálculo del factor de seguridad con respecto al deslizamiento. Figura 2.36. Revisión por deslizamiento a lo largo de la base (Braja, 2006)
Las fuerzas actuantes son originadas por el empuje activo del relleno y la sobrecarga que actúa sobre él. Las fuerzas resistentes son el peso del muro, peso del suelo, el empuje pasivo en caso que se considere y la fricción en la base.
C. Revisión de la falla por capacidad de carga La presión vertical en la base de la zapata de muro transmitida al suelo debe ser contrastada con la capacidad de carga máxima del suelo y que la presión vertical aplicadas en la fundación por la estructura de contención no debe superar el valor de la capacidad de carga máxima del suelo de fundación. En general, se requiere un factor mínimo de seguridad contra la falla por capacidad de carga de 3 para el caso estático (Publicación No. FHWA NHI-06-089, 2006). En la figura 2.37 Observe que ó son las presiones máxima y mínima que ocurren en los extremos de las secciones de la punta y del talón, respectivamente. La suma de las fuerzas verticales que actúan sobre la losa de base es Ʃ y la fuerza horizontal ℎ es cos (figura 2.37). Sea R la fuerza resultante: R = Ʃ + ℎ (2.34) El momento neto de estas fuerzas respecto al punto C en la figura 2.37 es (2.35) Y para el cálculo del punto de aplicación de la resultante R se expresa como: = Ʃ − Ʃ = =
Ʃ
(2.36)
Dónde: Ʃ =Suma de fuerzas verticales, que es igual a la fuerza normal actuando en la base “” Por consiguiente, la excentricidad de la resultante se expresa como: •
•
= −
(2.37)
La distribución de presiones bajo la losa de base se determina usando las siguientes expresiones: á = () =
Ʃ
1+
6
(2.38)
í = (ó) =
Ʃ
1−
6
(2.39)
La resultante debe estar ubicado en el tercio central de la base y la ≤
y para el análisis
dinámico ≤ . Para estimar la capacidad de carga ultima aplicamos la fórmula de Terzaghi y a la vez usando la Tabla H.1.1 , según recomendaciones de la publicación No FHWA-06-089 (2006) tal como sigue:
Dónde: c = cohesión del suelo = peso unitario del suelo de fundación = = profundidad de cimentación
, , = factores de capacidad de
carga que están únicamente en función del ángulo de fricción del suelo. Finalmente el factor de seguridad contra falla por capacidad de carga se determina: ( ) =
(2.41)
FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA Tabla H.1.1. Factores de capacidad de carga
D. Revisión de la estabilidad global Es el movimiento general de la masa de la estructura de un muro y del suelo adyacente (conjunto suelo-muro). La estabilidad global de la masa del suelo debe ser verificado con respecto a la superficie de falla más crítica se deben considerar ambas superficies de deslizamiento circular y no circular, el cual se puede desarrollar utilizando un método clásico de análisis de estabilidad de taludes.
2.11.3. INCUMPLIMIENTO DE LAS CONDICIONES DE ESTABILIDAD En caso de no cumplir con la estabilidad al volcamiento y/o con las presiones de contacto, se debe redimensionar el muro, aumentando el tamaño de la base. Si no se cumple con la estabilidad al deslizamiento, debe modificarse el proyecto del muro, para ello hay varias alternativas: a) Aumentar el tamaño de la base, para de esta manera incrementar el peso del muro y la fricción suelo de fundación –muro. b) Colocar dentellón o diente que se incruste en el suelo
2.11.4. DISEÑO DE MUROS DE RETENCIÓN DE GRAVEDAD POR CONDICIÓN SÍSMICA Aún durante sismos de poca intensidad, la mayoría de los muros de retención sufrirán desplazamientos laterales limitados. La figura 2.38 muestra un muro de retención con varias fuerzas actuando sobre él, que son las siguientes (por unidad de longitud del muro): •
•
= Peso del muro = Fuerza activa con la condición
de sismo tomada en consideración.
El relleno del muro y el suelo sobre el cual el muro descansa se suponen sin cohesión. Considerando el equilibrio del muro.
considerar Kv = 0 y el valor de Kh del estudio sísmico de la zona.
Figura 2.38. Estabilidad de un muro de retención bajo fuerzas sísmicas (Braja, 2001)
FACTORES DE SEGURIDAD PARA ANALISIS ESTÁTICO Y PSEUDOESTATICO Los factores de seguridad mínimo considerados para el diseño de muros de contención se puede detallar lo siguiente: FACTORES DE SEGURIDAD PARA ANÁLISIS ESTÁTICO
Tabla 3.26. Factor de seguridad mínimo para análisis estático Factor de seguridad FS
Mínimo especifi cado por AASHTO y FHWA
A desli zamiento
1.50
A volcamiento
2.00
A capacidad portante
3.00
A e stabili fdad de taludes
1.30
Nota . Tomado de AASHTO (2002) y FHWA (2006)
-
Excentricidad: Máximo B/6
FACTORES DE SEGURIDAD PARA ANÁLISIS PSEUDO-ESTÁTICO
Tabla 3.27. Factor de seguridad mínimo para análisis pseudo-estático Mínimo especificado por AASHTO Factor de seguridad FS A deslizamiento
1.125
A volcamiento
1.50
A estabilifdad de taludes
1.10
Nota . Tomado de AASHTO (2002)
•
Excentricidad: Máximo B/3
•
Para capacidad portante en el análisis sísmico el factor de seguridad mínimo es 2.5 (norma E-050 del RNE, 2006).
PROTECCION CONTRA CAIDA DE ROCAS
Figura 2.40. Barrera para caídas de roca con muros de concreto ciclópeo - Carretera Central
PROTECCION CONTRA CAIDA DE ROCAS
MUROS APLICADOS A TALUDES CON DESLIZAMIENTO
Selección del tipo de estructura de contención Los siguientes factores deben tenerse en cuenta para seleccionar el tipo de muro de contención: a. Localización del muro de contención propuesto, su posición relativa con relación a otras estructuras y la cantidad de espacio disponible. b. Altura de la estructura propuesta y topografía resultante. c. Condiciones del terreno y agua freática. d. Cantidad de movimiento del terreno aceptable durante la construcción y la vida útil de la estructura, y el efecto de este movimiento en muros vecinos, estructuras o servicios. e. Disponibilidad de materiales. f. Tiempo disponible para la construcción. g. Estética. h. Vida útil y mantenimiento
Criterios de selección del tipo de estructura de contención Cuando existan varias alternativas de estructuras de contención se debe realizar una comparación económica, de lo cual proponer el más óptimo (Suárez, 2009). De la misma forma para tener una idea más clara se puede tomar en cuenta también las recomendaciones de la Federal Highway Administration en su Publicación No. FHWA-NHI-00-043 (2001), en donde menciona que para la selección del tipo de estructura se debe tener en cuenta los siguientes factores: • • • • • • • • •
Geología y condiciones topográficas Condiciones ambientales Tamaño y naturaleza de la estructura Durabilidad Estética Criterios de comportamiento Disponibilidad de materiales Experiencia con un determinado sistema Costos
CAUSAS DE LAS FALLAS DE LAS ESTRUCTURAS DE CONTENCION DE CONCRETO ARMADO
Figura 2.41. Causas de la falla de las estructuras de contención de concreto armado (Suarez, 2009)
JUNTAS EN LOS MUROS DE CONTENCION Existen dos tipos de juntas, de construcción y de dilatación. Durante la construcción de los muros de contención, el gran volumen de concreto requerido no se puede colocar en una sola colada, este proceso hay que hacerlo por etapas, generando juntas de construcción verticales y horizontales, que deben ser previstas. En este caso la superficie que deja la junta de construcción debe ser rugosa, con salientes y entrantes, de tal manera que se incremente la fricción en los planos en contacto, procurando garantizar la continuidad del material. Los cambios de temperatura originan dilataciones y contracciones que hacen que el concreto se fisure y agriete. Las juntas de dilatación o de expansión, son utilizadas para disminuir la fisuración y el agrietamiento en el concreto. Estas juntas son necesarias si no se provee al muro de suficiente acero de refuerzo de temperatura y de retracción.
Las juntas se rellena con asfalto con un espesor mínimo necesario de 1 ”, de tal manera que la junta se pueda abrir y cerrar sin presenter Resistencia alguna, impidiendo además el paso de la humedad a través de ella. La norma AASHTO 2002, establece que se deben colocar juntas de contracción a intervalos que no deben exceder los 9,15 m (30 pies) y para juntas de expansión no se debe exceder los 27,45 m (90 pies) para muros de gravedad o de concreto armado.
FASE DE CONSTRUCCION DE UN MURO TIPICO
SECCIONES TIPICAS DE MUROS DE CONTENCION