8. EXCAVACIONES Excavaciones a cielo abierto. Construcción. anterior ("Equipos de construcción") principal siguiente ("Fundaciones") (2/6/2004)

Transcripción

1 Construcción anterior ("Equipos de construcción") principal siguiente ("Fundaciones") (2/6/2004) 8. EXCAVACIONES Previo a la ejecución de las excavaciones, es necesario realizar limpieza y preparación de terreno, y trazado y replanteo de niveles. Esta última actividad debe ser verificada una vez ejecutadas las excavaciones, debido a que una estructura mal replanteada o ubicada es tal vez el error constructivo que peores consecuencias puede traer. Una excavación puede hacerse empleando diversas técnicas, según sean las condiciones del proyecto y las restricciones de la obra: tamaño y profundidad de la excavación, tipo de terreno, restricciones de espacio, presencia de agua, estructuras contiguas, etc. Contenidos 8.1. Excavaciones a cielo abierto 8.2. Excavaciones abiertas sin presencia de agua 8.3. Excavaciones con presencia de agua 8.4. Asentamientos y recalvos 8.5. Excavaciones que permanecen abiertas 8.1. Excavaciones a cielo abierto De acuerdo con el volumen involucrado, se clasifican en: a. Excavación de zapata: relativamente pequeña, de dimensiones similares (largo, ancho y profundidad). En general, no reviste mayores consideraciones ingenieriles, excepto que sea un número muy importante de ellas.

2 Page 2 of 6 b. Excavación en zanja: excavación de ancho condicionado por los procedimientos constructivos (ancho entre 0.5 m y 3.2 m), y de largo muy superior al ancho; en general, se utiliza para emplazar una fundación corrida o una canalización. En el caso de una canalización, los controles que se requieren dependerán de su uso: topografía, rellenos, etc. c. Excavaciones amplias: aquéllas de más de 3.2 m de ancho, y profundidad importante (varios metros). Con frecuencia cubren superficies iguales o superiores a las de una edificación y su destino es subetrráneos, fundaciones de losas o grandes fundaciones. d. Pozos: excavaciones de forma rectangular y circular, para usos tales como: captación de agua, calicatas para prospección de suelos, etc., de profundidad mucho mayor que su largo y ancho Excavaciones abiertas sin presencia de agua De acuerdo con la profundidad de la excavación y la estabilidad del suelo, una excavación abierta se puede diseñar con taludes libres o taludes protegidos; en el primer caso, podrán ser taludes verticales, inclinados o escalonados; en el segundo, podrían ser apuntalados o estibados. Previo a la definición, se debe señalar que la elección de dejar un talud vertical o no vertical, libre o protegido, estará dada por varios factores y condiciones de la obra, tales como: a. Tipo de terreno: existen terrenos suficientemente cohesivos, que permiten alcanzar alturas de excavación relativamente profundas sin requerir algún tipo de apuntalamiento. Se debe contar siempre con la asesoría de un mecánico de suelos y un experto en seguridad. b. Costo relativo entre ambas soluciones: cuando no se pueden emplear taludes verticales, debe usarse taludes inclinados o verticales protegidos; luego, es necseario analizar el costo de sobreexcavación del talud inclinado con relación al costo de proteger el talud (estructura de refuerzo). En general, las excavaciones con taludes protegidos son menos operacionales desde el punto de vista del tipo y tamaño de equipos que pueden operar dentro de la excavación. c. Tiempo que la excavación permanecerá abierta: si éste es demasiado, es recomendable proteger los taludes, especialmente si alrededor de la excavación operan o transitan equipos que generan vibraciones. d. Asentamientos permisibles en torno a la excavación: La presencia de construcciones u obras de infraestructura cercanas a la excavación obligan a tomar precauciones para no afectarlas. e. Presencia de agua: a pesar de trabajar sobre la napa freática, una excavación abierta también puede verse afectada por aguas lluvia, escurrimientos de aguas superficiales o aportes de tuberías subterráneas rotas. Todas estas excavaciones deben ser protegidas adecuadamente. Cualquier excavación debe ceñirse a la norma chilena NCh 349 of55, "prescripciones de seguridad en excavaciones". Esta norma establece requerimientos para el manejo de escombros, medidas de operación de los trabajadores, medidas de evacuación y circulación de trabajadores, diseño de entibaciones, medidas de seguridad en excavaciones públicas y recomendaciones de carga y trasporte Excavaciones con talud libre Para poder realizar excavaciones con taludes libres verticales, es necesario que el terreno presente una estabilidad tal que no admita derrumbes y que sea verificado por un mecánico de suelos. Para estimar la altura teórica máxima que puede tener un talud vertical se puede, de manera informativa, utilizar la fórmula: h c = ( 4c / γ ) * tan (45 + Φ/2) donde c: cohesión; γ: densidad del suelo; Φ: ángulo de fricción interna; (45 + Φ/2): plano de rotura por deslizamiento.

3 Generalmente, este tipo de equilibrio es estable durante un cierto periodo de tiempo en suelos cohesivos, uniformes y no estratificados. Esta situación de equilibrio es alterada por vibraciones, filtraciones, sobrecargas por lo que, en general, la altura máxima de un talud esta por debajo de la altura critica teórica. Se recomienda el uso de taludes verticales sólo en excavaciones "rápidas" y en suelos adecuados. Esto, porque, al estar en contacto con el medio externo, el suelo pierde humedad, la que genera una perdida de cohesión que se traduce en derrumbes. Puesto que el derrumbe es función, además, del largo de la excavación, en algunos casos se puede emplear arcos o puntales de tierra para aumentar la seguridad. En ambos casos se debe tener la precaución de desarmar ambos elementos al momento de disponer el relleno en la excavación para garantiza un adecuado grado de compactación y homogeneidad. Cuando las condiciones de equilibrio de un talud son inciertas y se cuenta con espacio adicional para sobreexcavar, es conveniente inclinar el talud. Al igual que un talud vertical, la estabilidad del inclinado depende de las propiedades del suelo, del tiempo que permanecerá abierta la excavación y de las cargas y vibraciones del entorno. Una solución practica intermedia para disminuir el volumen de tierra a excavar en taludes excesivamente inclinados o altos en el empleo de taludes escalonados o aterrazamiento Excavaciones con taludes protegidos Page 3 of 6 En muchos casos no es posible dar la inclinación necesaria a un talud y se debe excavar verticalmente. Además en suelos poco cohesivos y poco estables es fundamental considerar el uso de algún sistema de protección. Los más usuales son: a. Hormigón proyectado o Shotcrete: Sólo previene el deslizamiento de piedras pequeñas, y controla la pérdida de humedad y la consiguiente falta de cohesión de los taludes. b. Mallas mecánicas: Diseñadas para contener el desprendimiento de bolones y piedras; no contribuyen a la estabilidad del talud, sólo sirven de prevención ante el desprendimiento. c. Entibaciones: Su forma más común son los tablaestacados, pero también existen ataguías metálicas o de hormigón, justificándose sólo en presencia de agua. Cuando los verticales están juntos (pegados), se denominan tablaestacados. Para el cálculo de los refuerzos laterales sobre la entibación se deben tener en cuenta lo siguiente: La norma NCh 349 ofrece diseños constructivos típicos para excavaciones en zanja hasta 4.5m de profundidad. Las dimensiones y distanciamientos dependerán del tipo de suelo y la altura de excavación. La distribución de esfuerzos sobre la entibación no es del tipo hidrostática, y alcanza su máximo cerca de la mitad de la altura. Por ello, se deben reforzar puntales y largueros en esa zona. En suelos granulares (arenas) se debe colocar en el frente soportes continuos, debiéndose entibar rápidamente para evitar derrumbes. En suelos finos, el suelo se autosostiene por un cierto tiempo, sin necesidad de puntales, los que pueden ser colocados una vez hecha la excavación. (15/6/2004) 8.3. Excavaciones abiertas con presencia de agua En trabajos a cielo abierto donde el sello de excavación se encuentra bajo la cota de la napa freática, se requieren técnicas especiales para evitar que la excavación se inunde. La presencia de agua en la excavación es indeseable porque provoca alteraciones el estado de equilibrio del suelo, generando

4 desprendimientos, socavaciones y complicaciones importantes en el trabajo del personal y equipos. Page 4 of Sistemas sin depresión previa de la napa. En este sistema, el agua es extraída de la excavación desde sumideros o pozos abiertos pequeños, hacia los cuales se conduce el agua de filtración. Es aplicable sólo en obras pequeñas y considerando lo siguiente: a. Puesto que el agua merge al pie de los taludes y es conducida por zanjas hacia sumideros, debe prestarse atención a las zanjas de drenaje en excavaciones abiertas por largo tiempo, a fin de evitar erosión y socavamiento al pie del talud. b. El efecto de las presiones de filtración en el pie del talud provoca ablandamiento y eventualmente derrumbes, debido a que en dicho sector el volumen de agua y la velocidad de escurrimiento son superiores. Esta situación puede ser prevenida con el uso de entibaciones el pie del talud. c. Debe tenerse cuidado con el efecto que provocan las subpresiones en el fondo de la excavación, el que será removido constantemente reduciendo su capacidad portante. También es evitable con entibaciones profundas Sistemas con depresión previa de la napa Este procedimiento consiste en deprimir (bajar la cota) de la napa freática (NF) para efectuar la excavación en seco por debajo del nivel normal de la napa, sin hacer agotamientos en la excavación propiamente tal. Esta modalidad es aplicable a terrenos permeables que permitan la circulación del agua (arenas, gravas) con la salvedad de que la velocidad del agua sea lo suficientemente pequeña como para no socavar el terreno. Existen las siguientes modalidades: a. Pozos filtrantes: Para suelos con coeficiente de permeabilidad superior a cm/s. Corresponde a la instalación previa, alrededor de la excavación, de una red de pozos filtrantes con bombas para pozos estrechos. La separación entre pozos es función del radio de acción y del caudal a extraer. b. Tubos filtrantes o punteras (Well-point): Para suelos con coeficiente de permeabilidad entre 10-3 y 10-6 cm/s. Se utiliza en arenas finas que pueden ser arrastradas por las bombas. Corresponde a la instalación de sondas-secadoras hundidas en el suelo y separadas entre 0.75 m y 1 m entre sí. Están unidas a un colector que termina en una bomba de vacío de gran cilindrada. La instalacion puede ser escalonada o a un solo lado de la excavación, lo que depende de la presión de la napa a agotar Excavaciones con el empleo de ataguías o cortinas de tablaestacas Es posible que el uso de los sistemas de depresión descritos anteriormente no resulten aplicables, seguros o económicos. En tal caso del retiro del agua se realizara a medida que se progrese en al excavación, empleando algún sistema de estibación. Se distinguen dos casos, según las condiciones de permeabilidad de los estratos de suelo. a. el terreno de cimentación es permeable, pero un poco mas abajo es accesible el terreno impermeable: la solución en este caso consiste en revestir la excavación mediante cortinas de ataguías que se hincan hasta llegar a terreno impermeable. El tipo de ataguías utilizado con mayor frecuencia es la metálica. Las ataguías metálicas son elementos de acero laminado de perfiles diversos que se encajan mediante juntas deslizantes y que se hincan por persecución o vibración. En la selección de un perfil para ataguías se debe tener en cuenta la resistencia mecánica a las presiones del suelo y las características de impermeabilidad de las juntas. Otro tipo de ataguía es la que se puede materializar con elementos de madera. Las ataguías sellan la excavación en contacto con un estrato impermeable de suelo, reduciendo al mínimo la filtración de agua por lo que el agotamiento e fácil. b. Cuando el terreno impermeable es prácticamente inaccesible: en este caso puede actuarse siguiendo una variedad de técnicas constructivas, entre las cuales se pueden aplicar los siguientes principios:

5 Page 5 of 6 Hincar las ataguías a una profundidad mayor a la del fondo de la excavación, produciendo una perdida de carga y flujo del agua que circula al interior de la excavación. En este caso las ataguías deben ir avanzando delante de la excavación a una profundidad que debe ser determinada sobre la base de la altura de la napa sobre el fondo y la permeabilidad de l suelo. El caudal de agua que penetra la excavación es bombeado hacia fuera Sistemas especiales Para excavar en presencia de agua, no siempre es necesario bombear el agua a fuera de la excavación. En ciertas ocasiones la cantidad de agua puede ser tal que la alternativa de bombearla es tecnológicamente poco factible (por ej. fundaciones de puentes, muelles, etc.). Los sistemas utilizados son: a. Campanas de presión: consiste en introducir una campana al fondo de l lecho de la excavación y contrarrestar las supresiones de agua con presión dentro de la cámara. Ésta es una faena altamente técnica y de muy bajo rendimiento. b. Socavación de fundaciones en islas: Consiste en construir islas sobre el nivel de agua, construir la fundación sobre ella y luego llevarla a la cota de fundación socavando el fondo de la fundación, la cual se puede desplazar con su propio peso Asentamientos y recalvos Una excavación siempre produce un cambio de estado del esfuerzo de la roca o suelo debajo y a los lados del espacio excavado. Este cambio ocurre siempre, se entiben o no los frentes de corte, y puede traer consigo ciertas deformaciones que se manifiestan en forma de asentamientos superficiales. Estos, por pequeños que sena pueden producir daños a estructuras adyacentes. En general, si existen obras o estructuras con fundaciones superficiales adyacentes a la excavación (pavimentos, soleras, etc.) cualquier asentamiento que se produzca ocasionara deterioro en dichos elementos. En excavación a cielo abierto en arena al asentamiento originado por la excavación no se extiende mas allá de una distancia igual a la profundidad de la excavación, y si el terreno adyacente no soporta carga esta no se extenderá mas allá de la mitad de dicha distancia. Si la excavación es bien entibada, el asentamiento máximo no suele exceder el 0.5% de la profundidad de la excavación. Cuando se excava en arcilla húmeda (blanda), la arcilla de los costados de la excavación, actúa como una sobrecarga que hace que la arcilla ubicada en el fondo de la excavación se deforme lateralmente. Debido a estos movimientos la superficie del terreno circundante se asienta y durante el lapso de tiempo que pasa entre la excavación y la instalación de codales se pueden producir deformaciones laterales. La magnitud de estos movimientos laterales y de sus correspondientes asentamientos depende de: a. Relación ancho-profundidad de la excavación: si es una excavación angosta se puede estimar que el asentamiento abarcara un área de radio no mayor a la profundidad de la excavación; si es muy ancha puede abarcar un área mucho mayor a la profundidad de la excavación. b. El procedimiento constructivo a utilizar: número y tipo de codales, velocidad de construcción, etc. c. El espesor del estrato de arcilla blanda por debajo del fondo de la excavación. Si contiguo a la excavación existen fundaciones de estructuras de mayor envergadura y la profundidad de la excavación de estructura existente siguiendo una metodología muy precisa de trabajo. En toda excavación debe llevarse control continuo de los posibles asentamientos que pueda originar, también se debe llevar un control de humedad de los taludes para prevenir accidentes de tierras Excavaciones que permanecen abiertas

6 Un capitulo aparte requeriría excavaciones que permanecerán abiertas o cortes de cerro en donde los taludes no solo deben permanecer estables a las presiones laterales sino que además deben resistir la intemperie como el agua, viento, vibraciones y otros. Las técnicas que se aplican en taludes o cortes abiertos permanentes se pueden resumir como sigue: emplear taludes con inclinaciones mayores a los que determinan los cálculos de estabilidad; emplear muros de contención para la altura total o altura parcial; empleo de tabla-estacador o ataguías; empleo de mallas con pernos; empleo de mallas de geotextiles con bolsas de sembrado. empleo de geosinteicos tipo geoweb. Page 6 of 6 anterior ("Equipos de construcción") principal siguiente ("Fundaciones") 2004 Cristian Domarchi G. En esta página: agradecimientos a David Riquelme