Geotecnia y FundacionesEstructuras de contencin para excavaciones usando tecnologa Deep MixingProf. Titular: M. Cs. Ing. Javier O. Morandi

Alumno: Tello, Mariano

Ao 2014

Introduccin

-Mtodo de Mezcla Profunda Consiste en la modificacin del suelo in-situ con el objeto de:- Aumentar su resistencia- Controlar su deformabilidad - Reducir su permeabilidad.- Seleccin del Mtodo Depende fundamentalmente del tipo y condiciones del suelo, economa y factores como: Disponibilidad de equipos

Materiales y mano de obra

Ventajas y limitaciones de cada mtodo Requerimientos del proyecoto

-Tipos de Mtodos Soldier Piles & LaggingColumna con Revestimiento

Structural Diaphram WallMuro Diafragma Estructural

Tieback Supporting WallColumna con Soportes Anclados

Soil NailingMuro Clavado

Jet GroutingInyeccin de Lechada a alta Presin

Deep Soil MixingMezcla de Suelo Profunda

-Fundamentos del Mtodo Se basa en:

*Ubicacin de la herramienta de mezcla

* Mtodo de mezcla del aditivo

* Mtodo de inyeccinAunque existe una gran variedad de tcnicas de excavacin, generalmente todas involucran columnas de suelo-cemento superpuestas que se instalan mediante un barreno giratorio o herramienta de perforacin.

El material resultante es una mezcla de suelo con pequeas cantidades de cemento

Valores tpicos de resistencias:Relacin w/c: 0,7 a 0,9Dosajes de Cemento: 200 a 300 kg/m

Secuencia de construccin:

Seccin tpica:

Diseo deGeomateriales

-Factores que afectan la resistencia del suelo-cemento 1) Caractersticas del agente estabilizante 2) Caractersticas y condiciones del suelo4) Condiciones de curado

3) Condiciones de mezclado Tipo de agente estabilizante Calidad Mezcla de agua y aditivos Propiedades fsicas, qumicas y mineralgicas Contenido de materia orgnica Contenido de humedad y pH Grado de mezcla Tiempo transcurrido entre mezcla y re-mezcla Cantidad de agente estabilizante Temperatura Tiempo de curado HumedadLos puntos 1) y 3) son los que podemos modificar o controlar y 2) y 4) dependen de las condiciones naturales de suelo y el ambiente -Propiedades del material a seleccionar Resistencia a la compresin: 7 Kg/cm Conductividad hidrulica: 10 -5 a 10 -6 cm/s Relacin agua/cemento ptima segn experiencias internacionales : 0,7 Cantidad de cemento sugerida: 290 Kg/m3

-Efecto de la distribucin granulomtrica en la resistencia Se logra la mayor resistencia a compresin cuando la fraccin de Arena es de aproximadamente el 60%

-Mdulo de elasticidad El mdulo de un suelo es un parmetro complejo de definir ya que depende del nivel de carga, de deformaciones, el nmero de ciclos de cargas y otros factores, se lo puede estimar mediante las siguiente ecuaciones: Mezcla suelo-lechada Mezcla suelo-cemento Relacin mdulo resistencia

-Permeabilidad del suelo-cemento

Casos Histricos

-Avenida del Lago, Milwaukee Fue el primer caso de muros de contencin permanente para carreteras realizados con este mtodo. Condiciones del lugar:Capas de Limos, Arcilla Limosa y arena finaProf. Nivel fretico: 2,4 mDiseo:Altura del muro: 9 mVida til mnima: 75 aosDesp. lateral mximo: 25,8 cmEsp. revestimiento de H: 61 cm Rendimiento:Desp. mximo medidos con inclinmetros: 25 mm

-Excavacin de Torres Marin, Honolulu Primera adaptacin de Mezcla Profunda para la retencin de suelos en condiciones de alto nivel fretico y suelos muy permeables. Condiciones del lugar:Arrecife de coral hasta una prof. De 3 m, de 4 a 35 m arena de coral con gravas baslticasFluctuacin del Nivel fretico con el cambio de marea : 3 a 6 mDiseo:Altura. de la pared: 14 m, en cada columna de coloc un perfil metlico H de refuerzo Prof. de empotramiento de 6,4 m (los primeros 3,4 reforzados con perfiles H, los restantes 3 se utilizaron como pared filtrante)Construccin:La velocidad de perforacin se adopto para triturar y romper la barrera de coral en tamaos de gravas a limos para luego realizar la mezcla con lechada de cemento.Se requiri de la instalacin de 11 posos de desage para controlar el flujo de agua subterrnea

-Autopista de ingreso, Aeropuerto de Oakland Condiciones del lugar:Consiste en tres estratos de: arena muy suelta (material de dragado), arcilla limosa, arcilla y arenaProf. Nivel fretico: 1,5 a 3 mEl fondo de la excavacin se mejor con una mezcla de suelo-cemento y se construy un terrapln arriba.Se realiz una pared lateral de suelo cemento, ancladas a la masa de suelo con el sistema Soil Nailing.

Rendimiento:Resist. comp. Simple prom. de la mezcla suelo-cemento: 2 MpaPermeabilidad prom. de la mezcla : 1,9 x 10-7 cm/seg

Diseo:

-Muro Vertical, Universidad de Texas Condiciones del lugar:Depsitos de Arena con contenido de finos (Arcilla), el lecho rocoso de encuentra a un prof. De 10 m.Prof. Nivel fretico: 7,2 mRendimiento:Resist. comp. suelo-cemento: 2 MPaDeflexin mx. del muro: 23,1 mmAsentamiento vertical: 8,5 mm

Es una estructura de contencin por gravedad, formada por tres a cuatro filas de columnas de 1 m. de dimetro de suelo-cemento hasta la profundidad de excavacin.Diseo:Resist. Comp. requerida: 0,7 MPa (7 kg/cm)Es muy importante contar con una plataforma superior de suelo-cemente para vincular todas las columnas (cabezal).Se debe reforzar la primer fila de columnas para resistir la flexin.

Construcin:Se instalaron cuatro filas de 43 columnas (dim.: 0,90m), separacin entre filas 1,82 m ( entre centro y centro de fila) Espesor de plataforma superior: 1 m. Volumen global excavacin: Prof. 9,5 m, Ancho muro 5,6m, Longitud: 40 m.

Tipos de Fallas

En general los Tipos de Fallas se agrupan en cuatro categoras principales:1) Inestabilidad debido a filtraciones

Se produce en arenas generalmente, cuando el nivel de agua dentro de la excavacin es ms bajo que sobre la superficie, haciendo que el agua fluya debajo de la pared en la excavacin.Cuando sobre la arena se encuentra una capa de arcilla subyacente puede ocurrir un efecto tapn, produciendo que estalle repentinamente el fondo de la excavacin.F = Factor de seguridad elegido- Se debe asegurar que:-Factor de seg. al Sifonamiento:Grad. Crtico:Grad. Salida:

2) Inestabilidad Global* Debido a la rotacin global:* Debido a la capacidad portante invertida:Se produce cuando la presin debido a la sobrecarga fuera de la excavacin supera la resistencia al corte del suelo, haciendo fluir el suelo por debajo de la pared.

3) Falla Geotcnica4) Falla EstructuralFalla por encima del anclajeFalla en el tramo sin anclarFalla en el anclajeFalla por resistencia pasivaArrastre del puntalAsentamiento verticalLevantamiento vertical

Diseo de Muros en Voladizo y Anclados

-Mtodos de Diseo

MtodoVentajasDesventajas

Manual-Simple-Rpido-No requiere computadora-Perfiles de suelos simples-Muchas suposiciones requeridas-Precisin limitada

Viga Columna-Mejor prediccin de momentos flectores y reacciones-Suelos multicapas-Relativamente simple-Modelo pared empotrada

-No soluciona filtraciones-Precisin limitada en desplazamientos-Requiere computadora y programas

Elementos Finitos-Simula secuencia de construccin-Buena prediccin de momentos flectores y desplazamientos-Cualquier geometra -Multicapa-Cualquier estado de carga

-Dificultad y tiempo consumido-Requiere computadora y programas-No se pueden chequear resultados

-Procedimiento de Diseo

-Investigacin del lugar Ensayo de Penetracin Standard (SPT) hasta una prof de: 1,5 a 2 H

Clasificacin del suelo

Lmite plstico y lquido del suelo

Resit. a comp. no confinada en muestras inalteradas

Distribucin granulomtrica e hidromtrica

Cohesin C y ngulo de friccin

Propiedades de deformacin (mdulo)

Lugar de obstrucciones i instalaciones adyacentes

Ocurrencias inusualesPara poder determinar el tipo y profundidad del muro, estimar las presiones del terreno, encontrar el nivel fretico, investigar asentamientos y posibles problemas de construccin se realizan los siguientes ensayos:

-Parmetros generales del proyecto El tipo de sistema de muro de contencin se decide en base al costo, condiciones del lugar, altura de pared requerida, velocidad de construccin y requisitos especficos del proyecto.Muro en VoladizoAnclaje simpleAnclaje mltipleEn el proceso de diseo debe ser identificada la seccin repetible, que es la longitud mnima de la pared que se repite para formar la pared completa.

-Anlisis de Filtraciones Mtodos Manuales: -Red de Flujo-Estabilidad Externa Anlisis por computadora: -SEEP-W -GEOFLOW -FLONET -PLAXIS Mtodos Manuales: -Dobelas -Jambu -Cua de friccin Anlisis por computadora: -G-Slope -Stable -Geoslope -Xslope

*Diseo de Muro en Voladizo Para un diseo preliminar se puede utilizar una profundidad de empotramiento D= 1,3 H-Presiones de Tierras En el caso que sea imposible el drenaje del agua los Empujes Activos y Pasivos se analizarn con presiones totales sin drenar:Diagrama de EmpujesSu: Resistencia al corte sin drenar del suelo a la prof. z

Se realiza una tabla para distintas Prof. de Empotramiento y se obtienen distintos coeficientes de seguridad, luego se elije una prof. D segn la seguridad deseada -Profundidad de Empotramiento (D) Pa: Fuerza resultante de Empujes Activos

Pp: Fuerza resultante de Empuje Pasivos

La fuerza Resultante R se ubica en el fondo de la pared y su valor es la diferencia entre Pa y Pp/F-Factores de Seguridad:

Las presiones de tierras por encima del nivel de excavacin se pueden obtener mediante dos mtodos:*Diseo de Muro con Anclaje simple -Mtodo de Presiones de tierras aparentes (Terzaghi Peck):Las presiones aparentes totales corresponden a un diagrama de presiones rectangular que segn el tipo de suelo se calculan como:-Mtodo de Briaud y Lim:La presin horizontal total por encima de la excavacin es constante y se calcula de la sig. manera:K= Coef. de Empuje aparenteEl coef. K se obtiene de grficos a partir de la deflexin del muro.

Existen grficos para Deflexiones Mximas y Deflexiones Promedio

Diagrama de Empujes-Profundidad de Empotramiento (D) Carga en el Anclaje T-Se determina utilizando el mtodo de reas tributariasProfundidad de empotramiento D-Se determina realizando sumatoria de momentos en la parte inferior del muroFuerza de Reaccin R -Siendo conocida D se plantea equilibrio de fuerzas horizontales para encontrar R-Longitud de anclaje -Momento flector en el anclaje -Ubicacin ptima del anclaje Existen tres incgnitas:

Depende de: tipo de anclaje, proteccin contra la corrosin, separacin, resistencia del anclaje y el tipo de conexin con el sistema de retencinLa ubicacin del anclaje se mueve a lo largo del muro para optimizar los momentos calculados. Sin embargo es importante recordar que colocando el anclaje en la parte superior del muro es una de las mejores maneras de limitar las deflexiones.Existen dos momentos flectores mximos, uno en el punto de anclaje y otro en la parte inferior del muro. El mayor de los dos momentos comnmente se encuentra en el punto de anclaje

*Diseo de Muro con Anclajes mltiples Diagrama de Empujes-Profundidad de Empotramiento (D) Una vez determinadas las cargas en los anclajes (mtodo reas tributarias) aplicando equilibrio de momentos en la base del muro puedo encontrar la prof. D

-Momento flector en los anclajes -Ubicacin ptima de los anclajes En este caso se recomienda utilizar Anlisis por Computadora

La ubicacin de los anclajes ser ptima cuando los momentos sean balanceados y las deformaciones mnimas

-Anlisis Asistido por Computadora Los ms usados son: Mtodo de elemento de contorno (BEM), tambin llamado mtodo Viga-Columna Mtodo de elementos finitos (FEM) Mtodo Viga-ColumnaEl mtodo consiste en modelar el muro como un conjunto de elementos verticales de longitud z, con una resistencia a la flexin, rigidez a la flexin (EI) y rigidez axial (EA).El suelo es representado por resortes no lineales verticales y horizontales colocados a lo largo del muroDatos de Entrada:-Longitud del muro-Longitud de los elem. estructural-Rigidez del muro a flexin (EI)-Rigidez axial del muro (EA)-Seccin repetible-Carga en los anclajes-El suelo como resorte no lineal

Datos de Salida:-Deformaciones verticales y horizontales-Diagrama de momentos flectores-Diagrama de corte

2) Mtodo de Elementos FinitosConsiste en modelar el muro y el suelo como un conjunto de elementos pequeos y asignarle las propiedades que controlan su comportamiento.La simulacin FEM conduce a resultados de momentos flectores tan precisos como el mtodo BEM, pero es en la prediccin de movimientos del muro donde es mucho ms preciso este mtodo.-Comparacin de Resultados segn mtodos

-Capacidad vertical del muro Donde:

V= Componente vertical de la fuerza de anclajeW= Peso de la seccin repetible de muroqn= Fuerza de friccin negativa entre el suelo y el murorw= Resistencia por friccin entre el suelo y el murorb= Resistencia en la base de la seccin repetible F= Coeficiente de seguridad

-Resistencia estructural de elementos de contencin Verificacin a flexin

Verificacin al corte

Equipos de Construccin

-Mquina de perforacin -Planta de mezcla por lotes

Ejercicio de aplicacin

-Parmetros de diseo-Anlisis de Filtraciones No se realizar al no existir agua subterrnea-Estabilidad Externa *Calculado con programa Geo5

-Presiones de tierras1) Mtodos manuales -Profundidad de empotramiento

2) Utilizando programa Geo5

-Comparacin de resultadosMtodos manuales

Usando Geo5

Gracias por su Atencin!