FUNDACIONES: Entibacin de Zanjas

FUNDACIONES: Entibacin de Zanjas

ENTIBACION DE ZANJAS

I.-GENERALIDADES.

A. Definicin.

Se define como entibado al conjunto de medios mecnicos o fsicos utilizados de forma transitoria para impedir que una zanja excavada se desmorone debido al empuje de tierras. Se debe entender que el entibado es una actividad previa y no una finalidad. Sirve para lograr un objetivo de construccin (colector, galera o fundacin) por lo cual a la conclusin de la obra es retirada en su totalidad.

Consiste en la contencin lateral de las paredes del suelo de crcavas (socavones producidos enrocasysuelos), pozos y zanjas, a travs de planchas metlicas o de madera, clavadas perpendicularmente al suelo y trabadas entre s con el uso de puntales y largueros, tambin metlicos o de madera, esto se debe a la posibilidad de alteracin de la estabilidad de estructuras adyacentes en el rea de excavacin, o con el objetivo de evitar el desmoronamiento de suelos no cohesivos o poco consistentes, por la accin del peso propio del suelo y de las cargas eventuales a lo largo del rea en zanjas de mayores profundidades.

Parantes o tablestacas

LarguerosPuntales

B. Necesidad de uso.

Como se trata de una actividad previa, el entibado puede ser omitido dentro de ciertos criterios lgicos:

Siempre y cuando se pueda anular el empuje de tierras.

Hasta una profundidad de 1.25m a 1.75m, no es obligatorio entibar.

Considerar durante el tiempo que dure la zanja abierta, la tierra no se deslice.

Sin embargo en este ltimo caso hay que tomar en cuenta el factor psicolgico ya que sin la proteccin de un entibado, el fondo de una zanja produce una sensacin de inseguridad y temor que influye en el rendimiento de los obreros.

Otros factores que influyen en la determinacin de usar un entibado es la presencia de fundaciones prximas de edificios, pavimentos de calles, cimientos de muros y otro tipo de estructuras. Se recomienda por tanto una cuidadosa observacin previa de lo siguiente:

-No se debe olvidar que probablemente se producirn pequeas deformaciones que traducidas en asentamientos diferenciales pueden daar estructuras vecinas.

- Las fluctuaciones del nivel fretico en el terreno modifican su cohesin, ocasionando por lo tanto rupturas del mismo. La presencia de sobrecargas eventuales tales como maquinaria y equipo o la provocada por el acopio de la misma tierra, producto de la excavacin, puede ser determinante para que sea previsto un entibad

II.- MATERIALES UTILIZADOS PARA ENTIBADOS.

Cuando el suelo por s solo no es capaz de resistir las cargas solicitadas dentro de los problemas encontrados en la colocacin de tuberas en profundidad, plantas elevadoras, cmaras profundas, etc. se hace necesario la utilizacin de estructuras que aseguren una estabilidad a la excavacin. Es as que se hace necesario no solo la utilizacin de entibaciones sino que una correcta eleccin del tipo de estructura a emplear para los distintos casos cuya utilizacin facilitara la faena tanto en el ambiente fsico como en el sentimiento de seguridad que otorga a los trabajadores.

1. Entibacin de madera.

Es el sistema ms antiguo el cual ha sido reemplazada por las entibaciones metlicas pero no por ello han dejado de cumplir las solicitaciones requeridas.

Son piezas de dimensiones conocidas de 1 plg. x 6 plg.; 1 plg x 8 plg; 1 plg x 10 plg o en su caso de 2 plg x 4 plg; 3 plg x 4 plg.

Las piezas pueden tener los bordes preparados para ensamble hembra y macho. Se usan tambin como puntales, rollizos de eucalipto en dimetros mnimos de 4 plg o 6 plg.

Ventajas:

Permite diferentes anchos de excavacin. Su realizacin implica materiales de fcil acceso. Costo razonable. Es recomendable para excavaciones poco profundas y de corto tiempo de ejecucin. Se recomiendan cuando la solicitacin no es tan importante y la excavacin no comprometa la capa de la napa subterrnea.

Desventajas:

Tiene limitaciones tanto en la altura de excavacin como de la cantidad de soporte la cual depender exclusivamente de los puntales de soporte y de la madera elegida para dicho efecto. Su confeccin es lenta, y poco perecedera. Es necesario un mantenimiento constante en las placas de soporte y en el clavado. Mayor uso de mano de obra. Muy baja vida til. No es recomendable para suelos con presencia de napas subterrneas. Su forma puede dar lugar a elementos sometidos a torsin, hinchamiento, pandeo. Determina un factor importante de riesgo a la hora de colocacin y retiro de las entibaciones puesto que son colocadas una vez realizada la excavacin final no otorgando seguridad en el periodo de realizacin de esta.

a. Clasificacin.

1) Entibado discontinuo de madera.

Consiste en el proceso de entibar, parcialmente, las superficies laterales de la zanja con tablones de madera de 1 plg x 6 plg (hasta 2 m de profundidad) o 1 plg x 12 plg (mayor a 2 m de profundidad), dispuestas en la pared vertical y espaciadas unas de otras de 16 cm o 30 cm. A lo largo de estos tablones se instala longitudinalmente, los largueros o las soleras (vigas de madera) de 2 plg x 6 plg (hasta 2 m de profundidad), o de 3 plg x 7 plg (mayor a 2 m de profundidad), las cuales por su vez, son fijadas por rollizos de eucalipto con dimetros entre 4 plg y 6 plg, o por vigas solera de 3 plg x 7 plg.

El espaciamiento medio entre las soleras o vigas de madera es de 0,90 m x 1,10 m, tomndose como una media 1 m. y el espaciamiento medio entre los rollizos de eucalipto es de 1,35 m., con excepcin de la extremidad de los listones o tablas donde los puntales estarn a 0,40m.

Para seguridad del entibado se deben fijar tablas en el sentido vertical y perpendicular al rollizo, evitando el desplazamiento de los rollizos o vigas de madera, debido al cambio de temperaturas u otros factores externos.

2. Entibacin metlica.

Es el mtodo ms utilizado y el ms recomendable pues asegura mediante el acero una mayor estabilidad en la ejecucin de las faenas.

SonpiezasdeacerolaminadoenperfilestipoIoHoperfilescompuestosdelos anteriores,soldados(ejemplodobleTT)oenperfilesdeseccinespecial,lo quese denomin Estaca-Planchametlica(tablestaca)enesteltimocasopuedenserdesensamblenormalizado. Las dimensionessonsuministradascondimensionesnormalizadas, tpicasparacadafabricante (Metalflex,Armco,BethlemSteel,etc.).

LosmsutilizadossonlosperfilesTde6;8yelperfilHde6*6.Seutilizantambintablestacasdepalanca,ytuboshuecosenmontajetelescpico,quepuedenser trabadosporroscaopresindeaceite.

Ventajas:

Permite diferentes anchos para la excavacin.Permite excavaciones profundas.Tiene mayor resistencia a los esfuerzos de empujes solicitantes.Necesita menos mano de obra para su colocacin y retiro.Permite una mayor rapidez de avance.El costo es alto en comparacin a las entibaciones de madera pero considerando las garantas de seguridad que otorga se elige el sistema, siendo el ms utilizado.Una perdida muy reducida o nula.Posee un sistema de ajuste del ancho deseado.El sistema con guas deslizantes puede utilizarse como moldaje provisorio exterior.No es necesario otros elementos ms que los utilizados en las excavaciones mismas para su manipulacin, colocacin y retiro.Provee un nivel de confianza muy elevado.

Desventajas:

Necesita un grado de capacitacin para la colocacin y extraccin de los mdulos en forma correcta y segura para cada tipo de sistema.Tiene un costo elevado por ser un mercado poco abarcado en nuestro pas.

a. Clasificacin:

1) Sistemas de Cajones.

Este sistema comprende situaciones entre 3 a 7 metros de profundidad.Compuesto por puntales estndar para entibaciones expansibles, paneles laterales que recibirn las cargas pertinentes, los cuales son de metal reforzado por la cara interior con placas verticales las cuales soportaran la carga lateral mediante los puntales los cuales van sujetos a las planchas con pasadores los que se fijan en los rieles que traen incorporados.

El panel base y el panel extensin se fijan entre s mediante acoples metlicos asegurados con pasadores.Su colocacin y extraccin debe realizarse con una excavadora de 20 toneladas por la presin lateral a la cual se ve sujeta.Cada mdulo tiene entre 3 y 4 metros de largo y entre 2 y 2.5 metros de altura en su primer cuerpo, el cual puede ampliarse con una extensin de las mismas caractersticas de 1.5metros. Estas medidas pueden variar segn el proveedor.

Se recomienda utilizar a lo mximo 3 extensiones las cuales nos permitirn una altura mxima de entibacin de casi 10 metros.

Sus puntales son extensibles resistiendo una presin mucho mayor que la exigida hasta los 7metros. Su dimetro puede variar segn el modelo pero va desde los 50cm hasta los 3 metros de ancho.

Fig.1 Vista Frontal Entibaciones Metlicas, Sistema Cajn

Fig. 2 Vista Isomtrica Entibaciones Metlicas, Sistema Cajn con detalleampliacin de la esquina superior para demostrar empotrado del codal con elpanel.

3. Entibacin de hormign armado.

Se utilizan en piezas prefabricadas de diversas secciones (ejemplo: rectangulares, con ensamble hembra-macho) o piezas fabricadas en sitio. Se colocan anclajes de acero estructural.

Las entibaciones de Hormign armado trabajan como un muro de pantalla absorbiendo los empujes laterales producidos por la contencin del terreno y por las cargas exteriores.

Este tipo de entibacin es ms utilizado en excavaciones profundas, stanos en edificios tneles.

Los anclajes son perforaciones con elementos metlicos que trabajan a traccin, estos se introducen en el terreno mediante la utilizacin de equipos especiales con una determinada inclinacin. Estos elementos sirven para la contencin de estructuras o estabilizacin de taludes, permanentes o temporales. El objetivo es encontrar terrenos ms competentes y evitar que se afecten las zonas cercanas a la pantalla.

III.-PROCEDIMIENTO PARA EL CLCULO.

Se entiende por zanja una excavacin larga y angosta realizada en el terreno. Esta NTP (Gua Espaola de condiciones de trabajo), contempla la excavacin de zanjas realizadas con medios manuales o mecnicos que cumplan las siguientes caractersticas:

Anchura 2 m. Profundidad 7 m. Nivel fretico inferior a la profundidad o rebajado.

A. Empuje de tierras.

El empuje es la accin o reaccin de la tierra ejercida sobre una estructura. El empuje de tierras depende de numerosos factores de compleja determinacin que inclusive no son constantes en el tiempo. Los principales factores son:

Inclinacin de la superficie en contacto con el suelo. Densidad, ngulo de friccin interna, humedad, coeficiente de vacos, cohesin, nivel fretico e inclinacin del terrapln. Factores externos al terreno y a la estructura, como lluvias, sobrecargas, vibraciones, etc.

El anlisis de los empujes sobre las estructuras de contencin es un tema complejo, que requiere de simplificaciones para su consideracin en los clculos de proyecto, en donde no solamente interesan las fuerzas actuantes sobre el entibado, sino tambin el estado lmite de cargas cuando ocurra la falla en el terreno.

En el anlisis debe tenerse en cuenta las condiciones de estabilidad del relleno, las deflexiones esperadas en el entibado, los procedimientos constructivos y toda posibilidad de movimiento o restriccin del mismo en el entibado. De acuerdo a ello, se considerarn los estados de empuje activo, de reposo o de empuje pasivo de tierras. Adems, debern estimarse los incrementos en el empuje de tierra ocasionados por sobrecargas, sea durante la construccin o debidas al trfico vehicular.

Por otro lado, los efectos del agua en el incremento del empuje lateral o en las presiones de poros que origina el flujo cuando existe una diferencia de niveles de agua entre ambos lados del entibado, deben ser analizados. Es decir, la presencia de agua en la zona saturada induce a una presin interna (presin de poros) y afecta la distribucin de granos de suelo as como a la densidad del agua en los poros.

Se considera que el empuje de tierras, en forma general es linealmente proporcional a la profundidad del suelo, calculndose para una profundidad z con la siguiente expresin:

Donde:

Empuje bsico de tierras, en Mpa. Coeficiente de presin lateral de tierras Densidad de suelo, en kg/m3 Profundidad bajo la superficie del suelo, en m. Aceleracin de la gravedad, en m/s2

A menos que se especifique lo contrario, puede suponerse que la resultante de los empujes laterales debidos al peso del relleno estar a una altura de 0,4 H sobre la base del entibado, donde H es la altura total del entibado, medida desde la superficie del terreno hasta la base de la cimentacin. Usualmente, se supona que la resultante quedaba ubicada a un tercio de la altura total; sin embargo, estudios experimentales sobre estructuras de contencin reales han demostrado que el valor de 0,4 H es una aproximacin razonable a los resultados de tales estudios.

1. Empuje de tierras en reposo.

El empuje de tierra en entibados que se considera que no van a deflectarse o mover, se calcula tomando el coeficiente de presin lateral de tierras en reposo, el cual vara de acuerdo al estado de consolidacin del suelo.

Desde el punto de vista geotcnico, se distinguen suelos no consolidados de los suelos sobreconsolidados.

Los suelos normalmente consolidados son aquellos que han soportado tensiones mximas histricas similares a las tensiones que soportan adicionalmente; corresponden a aquellas que han sido cargadas.

En cambio los suelos sobreconsolidados son aquellos que han sido cargados y descargados, es decir, las tensiones mximas histricas que han soportado han sido mayores que las actuales. El efecto de sobreconsolidacin implica disminucin en la relacin de vacos y probable formacin de contactos ligeramente cementados.

Para suelos normalmente consolidados, el coeficiente , se calcula mediante la siguiente expresin:

Donde:

ngulo de friccin del suelo drenado.

Para suelos sobreconsolidados, puede asumirse que , vara en funcin de la relacin o grado de sobreconsolidacin OCR (Over Consolidation Ratio) o de la historia de esfuerzos y puede calcularse mediante la siguiente expresin:

La condicin de reposo tambin puede considerarse en el diseo si es que los entibados quedan cerca de estructuras sensibles a los desplazamientos o les sirven de soporte, como en el caso de los estribos.

El concepto del grado o razn de sobreconsolidacin OCR a travs de las tensiones a las que se ha sometido el suelo, est dado por la siguiente expresin:

Donde:

Tensin mxima Tensin actual

El valor de la razn de sobreconsolidacin es igual a 1 para suelos normalmente consolidados y para suelos sobreconsolidados es mayor a 1. Para entibados se debe considerar un valor OCR igual a 1 puesto que las zanjas generalmente tienen una consolidacin normal

2. Efecto de las sobrecargas.El incremento en el empuje puede ser estimado mediante la siguiente expresin:

Donde:

Incremento en el empuje horizontal de tierras, en Mpa. Densidad del suelo, en kg/m3 Coeficiente de presin lateral.= Altura equivalente de suelo para el camin de diseo, en m. Segn los valores de la tabla.

Altura equivalente de suelo para cargas de trfico vehicular

Altura del entibado (m)(m)

1,501,70

3,001,20

6,000,76

9,000,61

Entibados en funcin al tipo de suelo

NoTipo de SueloEntibado recomendable

1Tierra roja y de compactacin natural. Tierra compacta o arcillaDiscontinuo

2Tierra roja, blanca y marrn - Tierra silcea (seca)Discontinuo - Continuo Simple

3Tierra roja tipo ceniza barro saturadoContinuo Simple

4Tierra saturada con estratos de arena - Turba o suelo orgnicoContinuo Especial

5Tierra Blanca - Arcilla BlandaContinuo Especial

6Limo ArenosoContinuo

7Suelo Granular - Arena gruesaContinuo

8Arcilla CohesivaApuntalamiento

IV.- EJEMPLO.

En la figura se muestra la seccin transversal de un corte apuntalado largo.

A. Trace la envolvente de presin de tierra.B. Determine las cargas en los puntales en los niveles A, B y C.C. Determine el mdulo de seccin requerido de la tablestaca.D. Determinen un mdulo de seccin de diseo para largueros en el nivel B.

NOTA: los puntales estn colocados a 3 m. centro a centro, en planta, utilizar:

SOLUCION:

Parte A (envolvente de presin):

Se tiene que , y

Verificamos la envolvente de presin para arcilla:

La envolvente de presin para arcilla ser:

Parte b (puntales):

Determinamos las reacciones en los puntos A, B y C.

Adems por sumatoria de verticales tenemos:

Las cargas en los largueros sern:

Parte c (tablestacas):

DIAGRAMA DE CORTANTES

La ubicacin del punto E ser:

El momento en el punto A ser:

El Momento en el punto E ser:

El mdulo de seccin calcularemos con el Mo max.:

Parte d: (largueros)

Para el nivel A y C sern:

Para el nivel B ser:

V.-RECOMENDACIONES

Para evitar sobrecargas en el entibado, el material excavado ser depositado a una distancia de la zanja, como mnimo igual a su profundidad. Para evitar la percolacin del agua pluvial a la zanja se puede utilizar agotamiento mediante bombas.

VI.-CONCLUSIONES.

El Reglamento tcnico de diseo para el entibado de zanjas NB-688, nos proporciona un cuadro en el cual de acuerdo al tipo de terreno podemos adoptar un tipo de entibado. En el Libro de Baja Das, se realiza el clculo mediante una envolvente de falla de acuerdo al tipo de suelo.

VII.-BIBLIOGRAFIA.

APUNTES DE INICIACION A LA CONSTRUCCION II/JAIME FERRI CORTES FUNDAMENTOS DE INGENIERIA DE CIMENTACIONES/Braja M. Das/7ma Edicion/Pag. 501-514.