INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA GRADO EN INGENIERÍA DE LA CONSTRUCCIÓN ___________________________________________________ __________________________________ _________________
INGENIERÍA GEOTÉCNICA APUNTES TEMA 10 ____________________________________________________ __________________________________ __________________
TEMA 10. INSTRUMENTACIÓN DE ESTRUCTURAS GEOTÉCNICAS 10.1 MEDIDA DE TENSIONES Y DE DESPLAZAMIENTOS ............................................................ 2 10.2 INSTRUMENTOS DE MEDIDA USADOS IN SITU .................................................................... ................. ................................................... 3 10.2.1 Generalidades ............................................................ .............................................................. 3 10.2.2 Piezómetros. Piezómetros. Tipos .............................................................. ................................................... 3 10.2.3 Células de carga total. Tipos ................................................................................................. . 7 10.2.4 Cinta para convergencias .................................................................................. ..................... 9 10.2.5 Extensómetro de varillas ................................................................ ........................................ 9 10.2.6 Extensómetro con detector magnético .............................................................. ................... 11 10.2.7 Micrómetro deslizante ............................................................................ .............................. 12 10.2.8 Inclinómetro de péndulo ................................................................ ....................................... 13 10.3 APLICACIÓN A CASOS REALES REALES ........................................................ ...................................... 14 10.3.1 Casos en presas: presa de materiales sueltos y de hormigón ............................................. 15 10.3.2 Casos en excavaciones: túnel y excavación a cielo abierto urbanos .................................. 16 10.3.3 Casos en cimentaciones ........................................................ ................................................. 19
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas
Tema 110. IInstrumentación d de eestructuras ggeotécnicas
En el marco de la ingeniería civil, y en vistas a hacer previsiones previsiones sobre la evolución de una obra, es patente la necesidad de disponer de medidas cuantitativas de las variables físicas que gobiernan el comportamiento de dicha obra, durante y después de su construcción. Se trata de controlar cómo evoluciona la obra pero también aumentar el estado del conocimiento mediante la comparación entre las previsiones y las medidas.
A la técnica de medida de dichas variables se le conoce con el nombre de auscultación y, a diferencia de los ensayos tanto en el laboratorio como in situ, situ, no está normalizada en la actualidad y se confía en la experiencia de las personas que se dedican a dicha tarea; naturalmente son aplicables las metodologías habituales en todo proceso de medida.
Existe una decisión previa que resulta esencial y que puede sintetizarse en la siguiente pregunta: ¿qué y cómo hay que medir? Ciertamente para responder de manera adecuada hay que conocer el funcionamiento de la obra y cuáles son las variables que la gobiernan. En vistas al proyecto de instrumentación hay que atender a aspectos fundamentales como son: la colocación de los instrumentos, el registro y procesado de los datos así como el coste global de la instalación, incluyendo mantenimiento y campañas de lectura.
10.1 M Medida d de ttensiones yy d desplazamientos Dentro del marco de la mecánica del suelo resulta esencial conocer el estado tensodeformacional del suelo, los modelos de comportamiento y las medidas que contribuyen a su correcta determinación. En este sentido, la instrumentación de obras geotécnicas se centrará fundamentalmente en la medida de las tensiones actuantes, de la presión intersticial y de los desplazamientos, tanto verticales como horizontales, que permitirán el cálculo de las deformaciones.
De forma previa a la realización del proyecto de instrumentación, hay que plantearse una reflexión acerca de la responsabilidad técnica y social de la obra, en vistas a optimizar el coste del equipo, así como su colocación y obtención de los datos en relación al beneficio que ha de suponer la disponibilidad de los datos correspondientes. Hay que tener en cuenta el posible
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas deterioro de los equipos durante la construcción y posterior explotación de la obra instrumentada.
10.2 IInstrumentos d de m medida u usados i n si u si t Seguidamente se van a describir los principales instrumentos usados en las obras geotécnicas más habituales. Tal como se ha indicado, mayoritariamente se instrumenta para medir las tensiones actuantes y los desplazamientos en las estructuras propias de la ingeniería civil.
10.2.1 G Generalidades En vistas a la realización del proyecto de instrumentación es conveniente atender a: 1. Tipo de instrumento, precisión y rango adecuados. Hay que estimar el valor de la magnit ud a medir y prever un factor de seguridad. 2. Estabilidad de la medida a largo plazo. Calibración y correcciones por deriva temporal. 3. Alimentación eléctrica del equipo en zonas no urbanas. 4. Durabilidad de la instalación. Mantenimiento de cables y conexiones. 5. Elección de instrumentos robustos y resistentes a los agentes ambientales. 6. Posible volcado automático de los datos. Redes de telecomunicaciones. 7. No siempre el equipo más costoso es el más adecuado.
10.2.2 P Piezómetros. T Tipos Antes de describir los diferentes instrumentos, conviene destacar algunos aspectos de las llamadas “piedras porosas de alto valor de entrada de aire” que se utilizan habitualmente en los piezómetros cuando hay que realizar medidas en suelos parcialmente saturados.
En el terreno, el agua intersticial puede alcanzar presiones tanto positivas y como negativas. Para la medida de la presión de agua es necesaria una continuidad hidráulica entre el agua del punto a medir y el elemento activo del instrumento de medida. Para suelos no saturados (SNS) es necesario utilizar una piedra porosa para asegurar dicha continuidad. Consiste básicamente en un disco de caolín sintetizado que tiene un tamaño de poros uniforme y por el que el agua asciende por capilaridad y satura el disco necesitándose una presión umbral de aire para desplazarla. En SNS se pueden medir succiones hasta el valor máximo de entrada de aire en la piedra porosa (valor dado por el fabricante).
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas Como justificación del funcionamiento de la piedra porosa, se puede considerar la figura 10.2.1 donde se muestra la ascensión capilar en un tubo de radio pequeño; se puede considerar a los poros de la piedra porosa con un radio medio y un valor pequeño. Dado que el fabricante usa partículas sólidas de tamaño constante, también lo serán los poros situados entre las mismas.
α
A 2r
h
Figura 10.2.1 Esquema que muestra la ascensión capilar en un tubo de radio pequeño
La presión en A será: A= -hw = -(2 scos )/r
Ello permite asumir que la presión de agua será negativa y se puede aplicar el concepto de succión ya definido en la mecánica del suelo. Hay que tener en cuenta el tiempo de estabilización de la presión en la piedra porosa debido a su baja permeabilidad (en general menor de 10-8 m/s). Están disponibles piedras porosas de 0.05 a 1.5 MPa de valor de entrada de aire (a una succión mayor la piedra deja de estar saturada y se interrumpe la continuidad hidráulica). Hay que recalcar que la piedra porosa debe saturarse antes de la colocación del piezómetro correspondiente en el punto de medida.
Piezómetro de columna de agua o de mercurio Tal como se ha indicado, el uso de una piedra porosa en el caso de suelo no saturado (SNS) es preceptivo en los diferentes tipos de piezómetro.
El sistema basado en la lectura del valor de una columna de líquido es un sistema sencillo y barato, y permite una centralización de las medidas en una caseta situada en obra. Existe el inconveniente de que hay que eliminar totalmente las burbujas de aire en las conducciones, dado que de lo contrario la medida sería errónea, y también existe el inconveniente de que hay tener en cuenta las heladas (congelación del agua). En la figura 10.2.2 se muestra un esquema de
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas funcionamiento basado en valor de la presión de la columna de agua o, eventualmente, de mercurio.
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Figura 10.2.2 Esquema de un piezómetro de columna de agua o de mercurio Efectivamente se trata de un equipo sencillo y barato, sin embargo es muy poco utilizado en obra en la actualidad dado que la medida debe hacerse manualmente.
Piezómetro de resistencia eléctrica La presión de agua incide sobre una membrana elástica que al deformarse modifica la resistencia de un hilo conductor. En la figura 10.2.3 se muestra un esquema en el que puede observarse que la presión de agua incide sobre la membrana deformándola, entonces las galgas extensométricas pegadas a dicha membrana se deforman y dan una señal eléctrica proporcional a dicha deformación.
galgas extensiométricas
membrana flexible
cable de salida
Figura 10.2.3 Esquema de un piezómetro de resistencia eléctrica (galgas extensométricas) El uso de este equipo es más bien escaso en la actualidad.
Piezómetro neumático La presión del agua incide sobre una membrana (lámina de caucho flexible) que cierra la presión auxiliar de aire que puede regularse hasta que éste no sale al exterior. Efectivamente,
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas cuando ambas presiones coinciden no hay flujo de aire hacia el exterior y de este modo se mide indirectamente el valor de la presión del agua en el terreno. En la figura 10.2.4 se muestra esquemáticamente su funcionamiento.
lámina de cauch o flexible (cierre de los tubos) filtro entrad a
gas a presión controlable salida a l exterior
agua o a ceite
Figura 10.2.4 Esquema de un piezómetro neumático Para el caso de SNS también se puede usar la piedra porosa de alto valor de entrada de aire. Se trata de un equipo sencillo en que todos los puntos de medida se pueden centralizar fácilmente en una caseta de obra.
Piezómetro de cuerda vibrante Es sin duda el instrumento más usado en la actualidad para la medida de la presión intersticial. También en este caso se puede usar la piedra porosa para SNS. Se trata de un instrumento muy robusto y con un funcionamiento muy fiable. Su coste va bajando a medida que mejora la tecnología y, por ello, su uso es creciente en relación a otras modalidades de medida de la presión del agua intersticial ya indicadas anteriormente.
El principio de funcionamiento está basado en el hecho de que la presión del agua intersticial incide sobre la membrana flexible y ésta tensa más o menos la cuerda metálica variando la frecuencia de vibración de la misma que, lógicamente, es proporcional a la presión de agua del terreno. En la figura 10.2.5 se muestra de forma escueta su funcionamiento. Una ventaja indiscutible de este equipo, y que ha contribuido a su éxito junto con su r obustez y fiabilidad, es el hecho de que la salida es eléctrica y, por ello, se puede automatizar fácilmente la lectura.
La figura 10.2.6 muestra un esquema de montaje del equipo en el terreno procurando un acoplamiento apropiado al punto de medida, también se muestra el aspecto de un piezómetro de cuerda vibrante habitual.
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piedra po rosa de a lto valor de entrada de aire
Agua
bob ina de excitación
membrana metálica flexible
bo bina det ecto ra de am plitud vibración
cuerda vibrante
Figura 10.2.5 Esquema de funcionamiento de un piezómetro de cuerda vibrante
Figura 10.2.6 Esquema de montaje de un piezómetro y su aspecto en los equipos comerciales
10.2.3 C Células d de ccarga ttotal. T Tipos Tal como se ha indicado, las células de carga total están destinadas a la medida de las tensiones actuantes sobre la estructura. Existen diversos tipos, sin embargo las más utilizadas se describen a continuación.
Células de diafragma La carga actuante incide sobre una membrana flexible que lleva adheridas unas galgas extensométricas o bien un sistema de cuerda vibrante que permite detectar la deformación de la membrana flexible. Tanto en un caso como en el otro se obtiene una señal eléctrica proporcional a la deformación de la membrana y, por ello, proporcional a la carga actuante. El equipo se usa
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas para cualquier dirección de la tensión actuante; en particular, se dispone horizontalmente para medir tensiones verticales y verticalmente para medir tensiones horizontales. La respuesta del equipo frente a un incremento de carga es rápida y segura. Cabe señalar que debe protegerse la membrana del contacto con bolos punzantes, eventualmente existentes en el terreno, mediante suelo de grano fino.
Células hidráulicas También en este caso la carga incide sobre una membrana flexible que transmite la presión a un volumen estanco de agua o aceite. Un sistema de cuerda vibrante mide la presión resultante. Se puede colocar en cualquier dirección de la tensión actuante, en particular se dispone horizontalmente para la medida de tensiones verticales y verticalmente para las tensiones horizontales. La respuesta es rápida y fiable. Debe protegerse la membrana del contacto con bolos punzantes, eventualmente presentes en el terreno, mediante suelo de grano fino. La figura 10.2.7 muestra un esquema del equipo y la figura 10.2.8 la forma de colocación en una estructura de sostenimiento (a la izquierda) y en el terreno, para medir una tensión vertical (abajo a la derecha); puede observarse el sistema de cuerda vibrante adosado a ella.
memb rana f lexible
transductor d e presión
líquido de llenad o (a gua, aceite, etc.)
Figura 10.2.7 Esquema de una célula de carga total de tipo hidráulico
Figura 10.2.8 Esquema de colocación de una célula de carga total 8
INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas 10.2.4 C Cinta p para cconvergencias El nombre del equipo se asocia a su utilización habitual para la medida y control de la convergencia en la sección de un túnel. La cinta es de material “invar” para evitar al máximo el efecto de la dilatación por cambios de temperatura ambiente. Se usa para medir la evolución de las distancias relativas entre bulones anclados en la estructura.
La cinta se enrolla sobre un tambor y durante la medida está sometida a la tensión constante generada por un muelle antagonista, ello minimiza el efecto de la catenaria. El rango de utilización es de 2 a 40 metros y se alcanza una precisión de +/- 50 micras dependiendo del sistema de lectura. Puede usarse en cualquier dirección. La figura 10.2.9 muestra un esquema de utilización. Hay que destacar la importancia que tiene un buen mantenimiento del contacto con los bulones de anclaje (conviene engrasarlos y protegerlos mediante un tapón), de lo contrario los errores van a estar presentes en la medida.
Figura 10.2.9 Esquema de colocación de una cinta para convergencias entre dos puntos de medida
10.2.5 E Extensómetro d de vvarillas El equipo es de uso habitual en el control del desplazamiento vertical en el terreno. Se suele instalar mediante un sondeo en el punto de medida hasta la profundidad requerida, o bien se puede instalar durante la construcción de un terraplén, si es el caso. Es habitual que cada punto de medida en superficie disponga de entre 3 y 5 puntos de medida en profundidad. Efectivamente, cada varilla se ancla a una profundidad predeterminada y se lleva hasta la superficie acoplando los tramos que sean necesarios (en general cada tramo suele tener una longitud entre 2 y 4 metros).
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas La variación de la distancia entre la cabeza de la varilla y el punto de medida (en la superficie) informa del movimiento del terreno. El rango utilizable es de 2 a 40 m de profundidad con una precisión de +/- 5 micras dependiendo del sistema de lectura. Es muy conveniente proteger las varillas con grasa y además de un tubo telescópico que se instala en el terreno y se rodea con una lechada de cemento que acopla dicho tubo al terreno. El equipo se instala habitualmente para la medida de desplazamientos verticales, sin embargo si se protegen las varillas de la flexión debida a su propio peso entonces también se puede instalar horizontalmente. La figura 10.2.10 muestra un esquema de colocación en base a un tubo telescópico de protección y la lechada correspondiente.
Figura 10.2.10 Esquema de colocación de una varilla en el extensómetro correspondiente En la figura 10.2.11 se muestra (a la izquierda) el aspecto de una arqueta típica colocada en la superficie del terreno con 4 varillas, en este caso, ancladas a diferentes profundidades; el punto de medida debe protegerse, asegurando la estanqueidad, del polvo y del agua, de lo contrario habrá errores en la medida por causa de un deficiente acoplamiento entre la cabeza de la varilla y el lector correspondiente (un comparador manual en este caso). A la derecha se puede observar el cabezal para las varillas durante su proceso de instalación.
Figura 10.2.11 Aspecto del extensómetro de varillas en la superficie del terreno 10
INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas 10.2.6 E Extensómetro ccon d detector m magnético El equipo se usa en la medida de desplazamientos verticales, tanto en estratos de terreno en los que hay que perforar un sondeo para la colocación del equipo, como en el caso de terraplenes en que el tubo se va colocando durante la construcción; la figura 10.2.12 muestra un esquema de la colocación del equipo en el terreno. Se debe instalar un tubo en el que, cada cierta distancia (1 a 2 m), se colocan anillos de imán permanente; a la derecha de la misma figura se puede apreciar el aspecto de los imanes y su forma de anclaje.
Para efectuar la medida desde la superficie, se desliza un sensor (“torpedo”) por el interior del tubo que detecta la posición de los imanes y así como la distancia entre ellos; si hay un movimiento vertical la distancia entre los imanes cambia y el sensor detecta dicha variación.
El tubo de guiado del sensor puede deslizar por el interior de los anillos, que se acoplan al terreno mediante lechada de cemento de forma que puedan moverse con el terreno. Tanto el tubo como los anillos deben colocarse con especial cuidado, dado de que, de lo contrario, habrá errores en la medida. El equipo es de uso en un rango de 2 a 40 m con una precisión de 30 a 300 micras (menor que el extensómetro de varillas).
El detector lleva incorporada la electrónica correspondiente, por lo que debe ser estanco a la presión del agua del terreno a la profundidad propia de su rango de funcionamiento. La medida es totalmente automatizable dado que la señal de salida es eléctrica.
Figura 10.2.12 Esquema de colocación del extensómetro con detector magnético. Aspecto de los anillos imantados
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas 10.2.7 M Micrómetro d deslizante El equipo es de uso exclusivo en la medida de movimientos verticales. Al igual que los extensómetros anteriormente mencionados, es necesario instalar el tubo guía del sensor mediante un sondeo o bien de forma paulatina durante la construcción de terraplenes.
El tubo guía se instala mediante el acoplamiento sucesivo de tubos de 1 m de longitud de forma que puedan desplazarse entre sí. Dichos tubos disponen de un elemento de anclaje para un sensor que durante la medida se desplaza a lo largo del tubo desde la superficie, midiendo la distancia entre dos anclajes sucesivos; efectivamente, si hay movimiento vertical en el terreno, la distancia entre los anclajes cambia y el sensor emite una señal proporcional a dicha variación.
El tubo guía, como en el caso de otros extensómetros ya citados, se conecta al terreno mediante una lechada de cemento; hay que ser cuidadoso en esta operación con el fin de asegurar la fiabilidad de las medidas. La figura 10.2.13 muestra un esquema de su colocación en el terreno.
detector (“torpedo”) LVDT
lechada de cemento
encaj es (distancia a m edir)
terreno
Figura 10.2.13 Esquema de colocación del micrómetro deslizante en el terreno El equipo dispone de un varillaje desde el sensor hasta la superficie, de este modo se puede girar y anclarlo a dos tubos consecutivos. Sin embargo la operación de girado a cierta profundidad, mediante el varillaje, incorpora una peligrosidad notable, dado que pudiera no girar y el detector quedar retenido irreversiblemente en el punto de medida; dado el coste del equipo, supondría una pérdida elevada por lo que hay que operar con sumo cuidado. La figura 10.2.14 muestra un esquema del sensor (torpedo) y de la cadena de guiado del mismo; a la derecha se puede apreciar un momento de utilización en obra.
El equipo se puede usar en un rango de 2 a 40 m de profundidad, con una precisión de 1 micra en el lector; sin embargo la posibilidad de un mal contacto entre el torpedo y la superficie de
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas anclaje en el tubo guía, puede suponer un error importante. El sensor lleva incorporada electrónica y un lector del tipo LVDT, por lo que debe ser estanco a la presión del agua existente en el terreno a la profundidad de operación.
En la actualidad existe un equipo, cada vez más usado, denominado TRIVEG que combina el micrómetro deslizante con el detector magnético.
Figura 10.2.14 Esquema del detector del micrómetro deslizante y su utilización en obra
10.2.8 IInclinómetro d de p péndulo Se trata de un equipo especialmente diseñado para la medida de desplazamientos horizontales. Para ello es necesario instalar el tubo guía flexible, por donde se introduce el sensor, mediante un sondeo o bien de forma paulatina durante la construcción de terraplenes. El tubo guía tiene unas ranuras que permiten a un sensor (“torpedo”) deslizarse en profundidad guiado entre dos ranuras que conforman un plano. Las lecturas pueden hacerse sucesivamente en dos planos ortogonales. La figura 10.2.15 muestra una sección del tubo flexible, generalmente de aluminio, (a la izquierda) y un esquema del acoplamiento de dicho tubo al terreno; el sensor dispone de unas ruedecillas que lo guían a lo largo de la ranura.
El sensor lleva incorporado un péndulo servo-controlado que da una señal eléctrica en función del ángulo desplazado respecto de la vertical. El rango de utilización del equipo va desde 2 a 40 m de profundidad, con una precisión en el ángulo girado de +/- 0.01º. Al igual que en los casos
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas anteriores, el sensor lleva incorporada electrónica de medida por lo que debe ser estanco a la presión del agua existente en el terreno a la profundidad de operación. y
detector (“torpedo”) detector (“torpedo”) x
terreno lechada de cemento
Figura 10.2.15 Esquema de colocación del tubo para el inclinómetro de péndulo La figura 10.2.16 muestra el aspecto de un inclinómetro de péndulo colocado en el exterior del muro de contención anclado, situado en el Canyeret (Lleida), con el fin de detectar posibles movimientos horizontales del mismo. En la misma figura se puede apreciar el aspecto del equipo de medida junto con el sensor.
Figura 10.2.16 Aspecto de utilización del inclinómetro de péndulo en el muro del Canyeret (Lleida)
10.3 A Aplicación aa ccasos rreales A continuación se presentan algunos casos reales de aplicación de la instrumentación geotécnica. Existe gran diversidad de posibilidades por lo que el ingeniero de instrumentación debe tener muy claro el funcionamiento de cada obra en particular; ello le ayudará a proyectar y
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas situar la instrumentación en el lugar más apropiado con una relación óptima entre el beneficio y el coste.
10.3.1 C Casos een p presas: p presa d de m materiales ssueltos y y d de h hormigón Existen diversas morfologías para una presa de materiales sueltos; sin embargo la constituida por un núcleo de material compactado de baja permeabilidad y apoyado por espaldones es la más usual. El núcleo constituye, desde el punto de vista geotécnico, la estructura objeto de un proyecto de instrumentación que, en líneas generales, se puede concretar en: 1. Instalación de piezómetros para conocer la distribución de la presión de agua en el núcleo y con ello medir los cambios en la superficie freática frente a cambios en el nivel de embalse. 2. Instalación de células de carga total en la dirección vertical y horizontal. La medida de las tensiones totales, junto con la presión de agua intersticial, ha de permitir la estimación de la tensión efectiva actuante en puntos críticos de la estructura, en especial cerca de la cimentación y los estribos. 3. Extensómetros para la medida de los desplazamientos verticales durante su construcción y explotación. 4. Inclinómetros en la zona central con el fin de determinar la deformación transversal de la estructura por efecto del embalsado y desembalsado.
La figura 10.3.1 muestra un esquema ilustrativo de la diferente colocación de los instrumentos (cortesía de Geokon).
Figura 10.3.1 Esquema de instrumentación de una presa de materiales sueltos (www.geokon.com) 15
INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas En el caso de una presa de hormigón, la instrumentación debe tener en cuenta las diferentes propiedades del mismo respecto del suelo, sin embargo existe una cierta similitud por lo que se refiere al control de las presiones del agua en el terreno donde se cimienta la presa así como la distribución de las líneas de corriente y equipotenciales; por lo tanto la colocación apropiada de piezómetros permitirá conocer la distribución de las mismas. La figura 10.3.2 muestra un esquema ilustrativo de la diferente colocación de los instrumentos (cortesía de Geokon).
Figura 10.3.2 Esquema de instrumentación de una presa de hormigón (www.geokon.com)
10.3.2 C Casos een eexcavaciones: ttúnel yy eexcavación aa ccielo aabierto u urbanos La perforación de un túnel en una zona urbana debe ser especialmente cuidadosa, dado que las deformaciones inducidas en el terreno pueden ocasionar daños en las edificaciones cercanas a su área de influencia. El proyecto de instrumentación, en líneas generales, se puede concretar en: 1. Extensómetros verticales en la clave del túnel con el fin de estimar el movimiento vertical en la superficie. 2. Extensómetros horizontales en los hastiales (laterales del túnel). 3. Células de carga total entre el sostenimiento de la clave y el terreno. 4. Si se prevén problemas derivados de la presión de agua, pueden instalarse piezómetros; en general no suele ser necesario, dependiendo ello de la posición del nivel freático o bien de los flujos de agua subterránea. 5. Inclinómetros a ambos lados del túnel para medir los desplazamientos horizontales y estimar los movimientos horizontales en superficie, causa directa del agrietamiento en las edificaciones.
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas La figura 10.3.3 muestra un esquema de la instrumentación de un túnel en una zona urbana. La responsabilidad técnico social de dicho tipo de obra, hace que deba tenerse muy en cuenta la afectación en superficie de los movimientos generados durante la excavación. Debido a que en la actualidad es muy habitual este tipo de obra, especialmente en el caso de excavación con tuneladora, la instrumentación tiene una presencia muy importante en el proyecto general.
Hay que insistir en que el ingeniero de instrumentación debe conocer el funcionamiento de la estructura que desea instrumentar; con ello optimizará el coste de la instalación maximizando la información obtenida sobre su comportamiento geotécnico; cada proyecto de instrumentación es único aunque pueda ser similar a otros.
Figura 10.3.3 Esquema de instrumentación de un túnel urbano (www.geokon.com) Es también el caso de la excavación del túnel urbano de Terrassa (Barcelona), con el fin de soterrar las vías del ferrocarril urbano (Ferrocarriles de la Generalitat). La figura 10.3.4 muestra el esquema de la instrumentación que se utilizó para controlar la posible afectación a los edificios circundantes. Se puede observar la presencia de un antiguo colector de aguas residuales que pudiera haber sido afectado por los posibles movimientos en superficie. La instrumentación se diseñó fundamentalmente con inclinómetros en los hastiales y extensómetros en la clave del túnel.
Finalmente, como ejemplo de la instrumentación de túneles, se presenta a continuación un esquema de la instrumentación del túnel urbano de Barcelona que ha de permitir el paso del
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas ferrocarril de alta velocidad (AVE) por el centro de la ciudad. La figura 10.3.5 muestra dicho esquema (El Periódico, 22/1/2008). El proyecto prevé situar 39 secciones instrumentadas, con una distancia de 150 m entre ellas. En dicha figura se esquematiza la distribución de los instrumentos. Todo ello supone, según dicha fuente, de 550 extensómetros, 78 inclinómetros, 86 piezómetros, 261 células de carga y 1.800 prismas reflectores colocados en los edificios cercanos.
Figura 10.3.4 Esquema de instrumentación del túnel urbano de Terrassa (Barcelona)
Figura 10.3.5 Esquema de instrumentación del túnel del AVE en Barcelona (El Periódico, 22/1/2008) 18
INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas También es interesante el caso de una excavación a cielo abierto, en ocasiones destinada a la construcción de un falso túnel. La figura 10.3.6 muestra un esquema de la instrumentación de una excavación a cielo abierto en una zona urbana; la presencia y funcionamiento de las riostras y los anclajes que deben ser, en este caso, especialmente controlados mediante células de carga apropiadas. También los desplazamientos horizontales deben ser objeto de un control exhaustivo.
Figura 10.3.6 Esquema de instrumentación de una excavación a cielo abierto (www.geokon.com)
10.3.3 C Casos een ccimentaciones Se va a considerar en este caso el proyecto de una cimentación especial mediante micropilotes metálicos que se diseñó en 1990 para un solar de la Av. de la Luz, situada en la calle Pelayo de Barcelona, en que las cargas exteriores debían aplicarse por debajo del nivel de la estación de ferrocarril de los Ferrocarriles de la Generalitat. En la figura 10.3.7 se muestra el aspecto de uno de los micropilotes metálicos de 80 mm de diámetro instrumentado con un extensómetro de cuerda vibrante con el fin de determinar la carga actuante sobre el fuste de dicho pilote, dado que se conoce el módulo de deformabilidad del acero del micropilote. A la derecha de dicha figura se observa el aspecto del instrumento.
Con el fin de diseñar la cimentación y, con ello, el número necesario de micropilotes, se propuso realizar un ensayo con tres micropilotes anclados ya en el propio terreno. En el ensayo que se muestra en la figura 10.3.8, a la izquierda, se utilizan los dos micropilotes extremos para trabajar a tracción en el marco de carga construido al efecto, en cuanto al pil ote central trabaja a compresión mediante la aplicación de una carga vertical utilizando un gato hidráulico auxiliar.
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas
Figura 10.3.7 Aspecto de uno de los micropilotes metálicos (izquierda) de 80 mm de diámetro con el extensómetro de cuerda vibrante (a la derecha)
Figura 10.3.8 Aspecto del marco de carga instalado (izquierda) y del centro de control del ensayo (derecha)
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INGENIERÍA GEOTÉCNICA – GICO UPC Tema 10. Instrumentación de estructuras geotécnicas Bibliografía: 1. Alonso, E., Gens, A. (Eds.), Instrumentación de Obras, Ed. UPC, Barcelona, 1989. 2. American Society for Testing and Materials (ASTM), volumen 04.08: Soil and Rock , Filadelfia, 2006. 3. Dunnicliff, J., Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance, Ed. Willey, EE.UU, 1988. 4. Norma Tecnológica Española (NTE), Cimentaciones y Estudios Geotécnicos, Madrid, 1975. 5. Suriol, J., Lloret, A., Josa, A., Reconocimiento geotécnico del terreno, Ed. UPC, Barcelona, 2007 6. Una Norma Española (UNE), Normas UNE. Geotecnia, AENOR, Madrid, 2007. 7. http://www.geokon.com
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