Revista de la Construcción - redalyc.org · 14 ] Revista de la Construcción [ Volumen 6 N o 1 -...

Revista de la Construcción

ISSN: 0717-7925

[email protected]

Pontificia Universidad Católica de Chile

Chile

SANHUEZA PLAZA, CAROLA; OTEO MAZO, CARLOS

Estudio Comparativo sobre Diferentes Modelos de Cálculo Aplicados a la Construcción de Muros

Pantalla

Revista de la Construcción, vol. 6, núm. 1, 2007, pp. 13-27

Pontificia Universidad Católica de Chile

Santiago, Chile

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[ 13 Revista de la ConstrucciónVolumen 6 No 1 - 2007

A Comparative Study on

Different Models Applied

to the Calculation of

Construction of Diaphragm

Walls

Estudio Comparativo sobre Diferentes Modelos de Cálculo Aplicados a la Construcción de Muros Pantalla

Autores

CAROLA SANHUEZA PLAZA Pontificia Universidad Católica de Chile

email: [email protected]

CARLOS OTEO MAZO Universidad de Coruña, España

email: [email protected]

Fecha de aceptación

Fecha de recepción

27/03/07

16/04/07

[14 ] Revista de la ConstrucciónVolumen 6 No 1 - 2007

páginas: 13 - 27 Carola Sanhueza - Carlos Oteo]

Este artículo presenta un estudio teórico comparativo sobre los diferentes mo-delos de cálculo empleados en España para el diseño de muros pantalla. Para el análisis se han seleccionado tres mo-delos de cálculo aplicables a dos casos en estudio con condiciones geológicas y geotécnicas diferentes, propias de los suelos de Madrid. Los modelos de cálculo empleados han sido: el método clásico basado en las teorías de equili-brio límite de Rankine y las hipótesis de Blum; el método de reacción del terreno

T h i s p a p e r p re s e n t s a t h e o re t i c a l comparat ive study of the di f ferent computational models used in Spain for design of diaphragm walls. Three computational models have been selected for the analysis of two cases with different geological and geotechnical conditions that are applicable to the soils of Madrid. The calculation models employed include the c lass ic method based on l imit equilibrium theories of Rankine and the

basado en el espacio de Winkler; y el método de elementos finitos. Estos dos últimos métodos han sido llevados a cabo por medio de dos programas com-putacionales. El primero de ellos basado en un cálculo elastoplástico por medio del programa RIDO, mientras que el segundo ha sido llevado a cabo a través del programa PLAXIS. Se ha efectuado la comparación de los movimientos de la pantalla, giros, distribución de es-fuerzos con la profundidad, esfuerzos de corte y momentos flectores.

Blum’s hypotheses; the method of reaction of the soil based on the model of Winkler’s space; and the finite element method. Computations for the case of Winkler’s space analysis have been performed by means of program RIDO, while the finite element computations have been carried out by means of program PLAXIS. A comparison of movements, turns, normal and shear stress distributions, and bending moments is presented as well.

Abstract

Key words�� diaphragm wall, calculation models, Madrid soils.�� diaphragm wall, calculation models, Madrid soils.diaphragm wall, calculation models, Madrid soils. wall, calculation models, Madrid soils.wall, calculation models, Madrid soils., calculation models, Madrid soils.Madrid soils.

Palabras clave: muro pantalla, modelos de cálculo, suelos de Madrid.

Resumen

páginas: 13 - 27 [ 15 Revista de la ConstrucciónVolumen 6 No 1 - 2007

[Carola Sanhueza - Carlos Oteo]

Introducción

Las necesidades de un mayor aprovechamiento de los espacios físicos han llevado al empleo del subsuelo como una alternativa para el desarrollo de diferentes obras de construcción. Sin embargo, la construcción subterránea dentro de los límites urbanos actuales supone grandes riesgos, producto de la gran cantidad de edificaciones existentes o la presencia del nivel freático que, en determina-dos casos, puede llegar a estar muy próximo a la superficie del terreno.

Considerando solo el aspecto constructivo, una de las soluciones más empleadas actualmente en España, la constituyen las pantallas continuas de hormigón armado, conocida también como el “Método Milán” o sistema “Cut and Cover”. Este método corresponde a una técnica moderna de construcción cuyo origen se remonta a los años 50 en Italia.

Este tipo de construcción presenta importantes ven-tajas, como la posibilidad de alcanzar grandes pro-fundidades, con presencia o no del nivel freático, atravesar estratos en los cuales no es posible hincar tablestacas, producir una menor descompresión

del terreno, menor ruido y vibración durante su ejecución, entre otras cualidades. Además, como se trata de estructuras flexibles, presentan la ventaja de resistir los empujes del terreno deformándose.

El empleo de los muros pantalla es muy variado. En el campo de las obras públicas ha permitido construir recintos cilíndricos y obras lineales; mientras que en el terreno urbano ha servido para resolver pasos subterráneos, aparcamientos y numerosas estaciones de metro, entre otras.

En cualesquiera de los casos, es importante un adecuado estudio del comportamiento del terreno y de las fuerzas que actúan sobre estas estructuras. Por otra parte, el diseño de los muros pantalla debe poder garantizar, además de la estabilidad propia de la estructura, la seguridad de aquellas que se encuentren en su proximidad.

Respecto a esto último, diferentes modelos de cálculo y programas de ordenador son empleados actualmente en España para el diseño y cálculo de los muros pantalla, lo que ha llevado a plantearse el comparar teóricamente dichos modelos, consideran-do diferentes sistemas de construcción y propiedades geotécnicas de los suelos de Madrid.

Descripción geológica de los suelos de Madrid

El comportamiento del suelo frente a la actividad constructiva depende directamente de su geología y, en un sentido más amplio y concreto, de factores litológicos, hidrogeológicos, geomorfológicos y geo-técnicos. Estos cuatro factores se interrelacionan y dan lugar a muy variados tipos de comportamiento del terreno y como consecuencia a problemas de naturaleza muy diversa.

La mayor parte de los suelos que se encuentran en la Cuenca de Madrid se agrupan en tres tipos (Escario et al. 1981): suelos cuaternarios, tanto de origen natural (aluviales) como de origen antrópico; mate-riales pliocénicos, que poseen diferentes contenidos de finos; y materiales miocénicos, constituidos por

arcillas duras estratificadas alternadas con yesos y margas yesíferas.

Dentro de los materiales pliocénicos se distinguen varias unidades geotécnicas, con contenidos de finos entre 5% y 80%. En este rango, tradicionalmente y basado en la propuesta de Escario (1970 y 1985) modificada ligeramente por trabajos posteriores, se ha establecido una diferenciación basada en el contenido de finos presente: arena de miga (< 25% finos), arena tosquiza (25% a 40% finos), tosco are-noso (40% a 60% finos), tosco (60% a 80% finos) y peñuela (> 80% finos).

En el año 2003, los profesores C. Oteo y R. Ortiz propusieron valores de diseño a ser considerados en todos los proyectos de construcción de pantallas en el metro de Madrid. Estos datos pueden asumirse su-ficientemente conservadores, siendo muy aceptables con la práctica tradicional (Rodríguez Ortiz, 2000).



Estructuras flexibles

Históricamente se conoce que las primeras estructu-ras flexibles fueron las tablestacas de madera, cuyo origen se remonta hace varios siglos. Producto de las desventajas que presenta la madera como material de construcción, dio paso a las tablestacas de hormi-gón armado, las cuales presentan mayores ventajas comparativas con las anteriores, como la posibilidad de construir elementos prefabricados. Debido a que raramente se pueden recuperar y por lo tanto deben formar parte de la obra definitiva, surgió la idea de las tablestacas de acero o metal. Estas últimas presentan ventajas en cuanto a su bajo peso, mayor resistencia a flexión, mayor velocidad de colocación y otras características, pero su principal desventaja es la oxidación que sufren en caso de formar parte de una obra definitiva y estar en contacto con el agua, además de no poderse hincar en capas de materiales duros.

Posteriormente, surgieron las primeras pantallas de pilotes secantes o tangentes (1934), y en Italia, en los años 50, Veder y Marconi descubrieron un nuevo procedimiento que dio origen a las pantallas continuas de hormigón. Esta idea surgió debido a la necesidad de aprovechar mejor los espacios urbanos por los problemas que plantean las excavaciones

profundas cercanas a edificios y por construcciones donde el nivel freático se encuentra muy cerca de la superficie.

Las pantallas continuas de hormigón son elemen-tos verticales de hormigón armado de sección rec-tangular, que se construyen en forma de paneles discontinuos directamente en el terreno desde la superficie de este. Estas estructuras tienen la doble función de resistir los empujes del terreno y limitar la entrada de agua al interior de la excavación, según corresponda.

De acuerdo a la calidad del terreno y del proyecto de construcción, las pantallas pueden llevar más de un nivel de apoyo o ninguno. En los casos en que la estructura trabaja en voladizo, su estabilidad se debe fundamentalmente a las reacciones del terreno en la parte empotrada de la pantalla. Mientras que en los casos en que la estructura cuenta con uno o más niveles de apoyo, dados por tirantes, anclajes, puntales o forjados, entre otros, la estabilidad está dada además del empotramiento por las reacciones de dichos apoyos.

Finalmente, es importante mencionar que tanto la flexibilidad de la pantalla como la profundidad de empotramiento de esta en el terreno, juegan un rol destacado en la determinación del empuje pasivo.

Métodos de cálculo para muros pantalla

Numerosos métodos de cálculo se han desarrollado a lo largo del tiempo y en la actualidad se emplea una gran variedad de ellos, como son los métodos empíricos y los métodos basados solo en modelos teóricos; métodos que toman en cuenta el com-portamiento en servicio de la estructura, descritos como métodos de equilibrio límite; y métodos que actualmente consideran el comportamiento de la estructura en el momento de la falla, aunque este último grupo es más pequeño. A partir de los años 70, un nuevo método de cálculo se ha venido a incorporar a este grupo, el cual se basa en la teoría de elementos finitos.

El desarrollo de los métodos de diseño se ha lleva-do a cabo en cuatro direcciones como muestra la

Figura 1 (Delattre, 2001). Una primera aproximación se unió rápidamente al concepto de módulo o coefi-ciente de reacción del terreno, la cual se desarrolló durante el siglo XIX y evolucionó con mayor fuerza a partir de los años 60 con la incorporación de he-rramientas computacionales.

Por otra parte, las aproximaciones teóricas encon-traron muy pronto limitaciones a tener en cuenta en la representación de fenómenos físicos, lo que conllevó a un fuerte desarrollo de aproximaciones empíricas, las cuales han permanecido presentes durante el siglo XX y, actualmente, tienen un papel importante en el desarrollo del marco de referencia del comportamiento observado en la estructura.

Finalmente, los muros pantallas al igual que otras estructuras geotécnicas se han beneficiado con los avances en el campo de la mecánica y métodos de di-seño numérico, incorporados a partir del año 1970.



Métodos clásicos

Los métodos clásicos de cálculo de pantallas fueron elaborados a partir de 1930 y proporcionan resulta-dos bastante aproximados para el momento flector máximo y para los esfuerzos en los anclajes.

Se basan en las teorías de equilibrio límite, cuya hipótesis principal es que el material alcanza dicho equilibrio a lo largo de ciertas líneas de deslizamien-to, las cuales limitan la cuña de rotura sobre la que se produce el movimiento de la masa.

Estos métodos consideran que los desplazamientos de la pantalla han sido suficientemente grandes como para que se alcancen los estados límites activo y pasivo del terreno, correspondientes a la excavación y a la respuesta del suelo frente a los movimientos de la pantalla hacia el terreno.

El cálculo de pantallas en voladizo por el método clásico se basa en las hipótesis planteadas por Blum. En ellas se considera que la pantalla pivota alrededor de un punto situado ligeramente sobre su extremo

inferior y que el momento flector de todas las fuerzas que actúan sobre la pantalla con respecto al punto de giro, es nulo.

En el caso que el desplazamiento de la pantalla sea importante, provoca la formación por sobre el punto de giro (A), de dos zonas plásticas que corresponden al estado activo y pasivo, mientras que por debajo del punto de rotación se genera, por una parte, una fuerza de contraempuje pasivo en el trasdós, por lo que las tensiones aumentan radicalmente y, por otra parte, el terreno de intradós se descomprime, con lo cual las tensiones en ese lado de la pantalla tienden a cero (Figura 2).

Para simplificar el cálculo, y dado que el punto A se encuentra muy cerca del extremo inferior de la pantalla, se procede por una parte a reempla-zar la diferencia entre el empuje activo y pasivo generado bajo el punto A, por una única fuerza R que actúa en el centro del tramo comprendido entre los puntos A y M (t’/2). Por otra parte, esta fuerza R se traslada al punto A para llevar a cabo los cálculos.

FIGURA 1 Principales direcciones en el desarrollo de los métodos de diseño. El lado izquierdo muestra los métodos de análisis de estado límite en servicio�� (1) Métodos clásicos (2) Métodos de reacción del terreno (3) Métodos de elementos finitos y (4) Métodos empíricos. El lado derecho muestra el (5) Método de análisis de estado límite

último

Fuente�� Laboratoires des Pont et Chaussées, 2001



En muchos casos las pantallas pueden requerir de un punto de sujeción en su altura libre próximo a la coronación, además del empotramiento en el terreno por debajo del fondo de excavación, ya sea por estabilidad, resistencia o para limitar las deformaciones tanto horizontales como verticales

del terreno en el trasdós. En este caso existen dos posibles métodos de análisis: el método de “base libre” (método americano) y el de “base empotrada” (método europeo). De los dos métodos, el primero de ellos es considerado de mayor simplicidad para diseñar pantallas con un apoyo.

El método de base libre se emplea cuando la pro-fundidad de empotramiento es pequeña o la rigi-dez de la pantalla es grande, en caso contrario, se emplea el de base fija. En el primer caso se asume que la pantalla es desplazada rígidamente bajo el efecto de la presión activa de tierras y moviliza tanto la presión pasiva de tierras a lo largo de su parte empotrada, como la tensión del apoyo ubicado en su parte más alta (Figura 3a). En el método de base fija el sistema considera un cier-to empotramiento en la base, debido a su mayor profundidad en el terreno por debajo de la zona excavada (Figura 3b).

FIGURA 2 Pantalla en voladizo

FIGURA 3 Empujes y deformada de (a) pantalla de base libre, (b) pantalla de base fija

a) b)

Métodos de interacción suelo-estructura

Estos métodos tienen en cuenta las propiedades de deformación del terreno, la influencia de la deforma-bilidad de la pantalla y sus desplazamientos.

Las soluciones más ampliamente usadas son aquellas basadas en métodos de reacción del terreno, gene-ralmente de tipo Winkler, en las cuales se simulan mediante muelles las reacciones del terreno.

Las primeras aplicaciones en ingeniería civil de este método fueron efectuadas por Zimmermann en 1888, quien lo empleó para calcular las tensiones que producían las obras ferroviarias en el terreno.

Posteriormente, el desarrollo de estos métodos lle-vó a que se aplicaran en losas y fundaciones, y en 1935, Rifaat, por una parte, y Baumann, por otra, introdujeron estos modelos de cálculo en el campo de las estructuras de contención. Sin embargo, su desarrollo fue complicado debido a problemas de implementación práctica, lo que llevó a que algunos autores propusieran diferentes aproximaciones, tales como Blum en 1951 y Richart en 1957.

Posteriormente, Boudier en 1970, Fages y Bouyat en 1971 y Rosignol y Genin en 1973 desarrollaron pro-gramas computacionales para el diseño de estructuras de contención usando los modelos basados en el coeficiente de reacción del terreno (Delattre, 2000).



La solución más antigua y simple aplicada a una situación que implique la interacción entre una es-tructura y el suelo, corresponde a la planteada por Winkler en 1867. En ella se supone que la defor-mación producida en el terreno es proporcional a la presión aplicada en dicho punto, e independiente de las presiones aplicadas en el resto de los puntos. Esta relación está condicionada por un factor de proporcionalidad K, que se denomina coeficiente de balasto.

En este modelo el terreno es representado por un conjunto de muelles elásticos independientes entre sí, relacionados a través de la pantalla, la cual es modelada como una viga elástica.

El coeficiente de balasto K es un valor de proporcio-nalidad que depende del nivel de presiones alcan-zado y de las dimensiones del área cargada, por lo tanto no es un parámetro intrínseco del material, con lo cual los cálculos efectuados por estos méto-dos tienen la desventaja de que las deformaciones obtenidas dependen de la carga aplicada y de la profundidad.

En 1968, Haliburton introduce por primera vez el modelo de comportamiento no lineal del terreno, en el cual incluyó los umbrales correspondientes a los estados activo y pasivo en el momento de la rotura. Su contribución más importante fue considerar una curva continua que relaciona la presión y el despla-zamiento de la pantalla, partiendo desde el estado activo hasta el pasivo, pasando a través del empuje

en reposo, una vez alcanzados los estados límites el empuje no varía (Figura 4a). Esta hipótesis relaciona, de cierta manera, los métodos de equilibrio límite con los del coeficiente de balasto, puesto que más allá de un desplazamiento límite se supone una situación plástica.

En este método la resolución se lleva a cabo por medio de intervalos iguales de diferencias finitas, representando un inconveniente para terrenos no homogéneos o con cambios de rigidez, pudiendo resolverse al considerar intervalos más pequeños.

En 1973, Castillo propone modificaciones al modelo propuesto por Haliburton, en el cual se incorporan anclajes postensados y por primera vez se consideran los procesos de descarga y recarga en la curva de presión-deformación. Castillo define las curvas de empuje-desplazamiento por el desplazamiento límite para empuje activo y pasivo que varía con la profun-didad según una ley parabólica (Figura 4b).

Castillo resolvió el problema estableciendo condicio-nes de equilibrio y de compatibilidad en deformacio-nes entre el terreno y la pantalla, adoptando una ley de desplazamiento que posee diferentes pendientes según se trate de la deformación hacia el lado activo o pasivo, lo cual lleva a suponer una mejor adaptación a la curva real. Por otra parte, el modelo propuesto por Castillo tiene en cuenta las deformaciones rema-nentes, de la forma en que se muestra en la Figura 4b. Si en un punto se ha alcanzado un estado límite con deformación hacia un lado y durante el proceso

a) b)

FIGURA 4 (a) Modelo de Haliburton, (b) Modelo de Castillo



de excavación o introducción de las tensiones de los apoyos se invierte el sentido del desplazamiento, la trayectoria del comportamiento de ese punto no re-corre el mismo camino a la inversa, sino que quedan deformaciones plásticas irrecuperables.

Por otra parte, en este método se tiene en cuenta el estado inicial de reposo y se ve la marcada influencia que ejerce sobre el comportamiento durante la ex-cavación. Además, este modelo permite reproducir paso a paso las fases reales de la construcción.

Un aspecto importante en estos modelos de cálculo es la adecuada elección del valor de la constante de balasto del material (K). A lo largo de los años, diferentes autores han propuesto correlaciones en-tre esta variable y parámetros intrínsecos del suelo, como el módulo de deformación E del terreno.

Terzaghi en 1955 propuso las siguientes correlacio-nes en función del tipo de suelo:

para arenas, y

para arcillas duras.

Ménard en 1964 desarrolló una teoría para el cálculo de asientos de fundaciones poco profundas sobre la base de la teoría de la elasticidad y ajustes empíricos, cuyos resultados lo llevaron a proponer la siguiente ecuación ampliamente usada en Francia:

(Delattre, 2001)

Vesic, Barden y otros autores (Rodríguez Ortiz, 1982) propusieron la relación que considera los parámetros elásticos del terreno (módulo de elasticidad y co-eficiente de Poisson), la cual es aplicable a zapatas corridas suficientemente largas, por lo que se podría extender al caso de pantallas:

Simon en 1995 extendió la formulación de Ménard adaptada por Balay en 1984, diferenciando zonas de deformación libre (como la zona de empotramiento y la altura libre de la pantalla) y zonas con deformación restringida (zona comprendida entre dos niveles de apoyo o la zona trasera de anclajes pretensados), proponiendo la siguiente correlación:

Bazin y Schmitt (2001) establecieron una relación entre KH y E que entregó resultados satisfactorios para los terrenos granulares durante la construcción del metro de El Cairo:

(MN/m3)

El ábaco de Chaidesson propone relacionar la cons-tante de balasto horizontal del terreno con los pa-rámetros de resistencia al corte, caracterizada por la cohesión y el ángulo de fricción. Esta propuesta se basa en la experiencia acumulada por el autor, cuya justificación se ha llevado a cabo, por una parte, por Monnet en 1994, proponiendo nuevos desarrollos al método y, por otra, Londez en 1997 aplicando el ába-co de Chaidesson al diseño de una estructura real.

Finalmente, a partir de las características geotéc-nicas de los suelos de Madrid recogidos durante la etapa de ampliación del metro, para el período comprendido entre 1999 y 2003 (Oteo et al. 2003), se puede deducir que la relación entre la constante de balasto y el módulo de deformación del terreno para distintos materiales está en un rango compren-dido entre 2 y 10.

Métodos de elementos finitos

La aplicación de los elementos finitos en el cálculo de pantallas ha sido resultado de las incertidumbres y defi-ciencias dejadas por el resto de los modelos de cálculo, especialmente de los métodos clásicos de diseño.

Debido a que estos métodos permiten considerar una gran cantidad de aspectos del problema en cuestión, se requiere de la definición de una mayor cantidad de datos de entrada que en el resto de los modelos de cálculo.

La aplicación de estos modelos requiere la defini-ción de unas condiciones iniciales, unas ecuaciones constitutivas de los materiales y unas condiciones de contorno. En estos modelos, el suelo se considera como un continuo, siendo discretizado, lo cual lleva a considerar el efecto arco y la interacción entre la pantalla y el terreno. De esta manera, se puede ob-tener información sobre el estado de deformación de toda la masa de suelo.



Casos de aplicación

Para este artículo se presentan dos casos de cálculo. El primero corresponde a una pantalla en voladizo construida en un terreno altamente deformable (material cuaternario). El segundo caso corresponde a una pantalla con un nivel de apoyo próximo a su coronamiento, calculado sobre un material con me-jores propiedades geotécnicas respecto del anterior (material terciario).

En ambos casos se ha efectuado una excavación de 5 metros de profundidad al abrigo de muros pantalla. En el primer caso se ha considerado una pantalla en voladizo sosteniendo un terreno homogéneo de espesor indefinido y seco. En el segundo caso, la pan-talla tiene un apoyo ubicado a 0,50 m bajo su cabe-za, conteniendo un terreno homogéneo de espesor indefinido, seco y con baja cohesión, cuyos paráme-tros geotécnicos, referidos a un material terciario con menos de un 25% de finos, se han resumido en la Tabla 1 junto con los del primer caso.

La pantalla corresponde a un elemento estructural de 0,80 m de espesor, longitud total a definir según los cálculos preliminares por teorías de equilibrio límite, con un módulo de deformación del hormigón de 30.000 MPa.

Metodología de comparación

Para efectuar la comparación de los resultados obte-nidos a partir de un modelo y otro, se ha calculado la profundidad de empotramiento mínima por métodos de equilibrio límite y se ha empleado, posteriormen-

te, este valor en los modelos seleccionados. Para el caso de la pantalla en voladizo, los cálculos han sido desarrollados considerando las hipótesis de Blum. En cuanto a la pantalla con un apoyo, los cálculos se han realizado por el método americano.

Estos cálculos han sido contrastados, posteriormen-te, con un modelo de elementos finitos a través del programa computacional PLAXIS 2D – Vs. 8.0 y un modelo de cálculo basado en el espacio de Winkler, por medio del programa RIDO Vs. 4.01 para es-tructuras de contención. Se ha comprobado que la profundidad de empotramiento empleada cumpla con las recomendaciones del Código Técnico de la Edificación española (CTE), en el cual se sugiere un factor de seguridad superior a 1,50 para el programa basado en elementos finitos y un empuje pasivo mo-vilizado inferior al 66%, para el caso del programa basado en el espacio de Winkler (CTE, 2005).

Una vez seleccionada la profundidad de empotra-miento que cumpla con la estabilidad mínima en todos los casos, se han comparado: el valor del mo-mento máximo, los valores de los esfuerzos de corte máximo (positivo y negativo) y los desplazamientos de la pantalla en cabeza, para el caso 1. En el caso 2 se han obtenido además de los valores mencionados, la fuerza del apoyo.

Por otra parte, se ha verificado la estabilidad en cuanto a los movimientos admisibles de la pantalla, empleando tanto las recomendaciones de Clough y O’Rourke (1990) como las de Oteo et al. (2003). De acuerdo a esto, para una excavación de 5 m de profundidad, el máximo movimiento horizontal de la pantalla no debe superar 10 mm. También se ha

Parámetro GeotécnicoCaso 1

(Cuaternario)P. Voladizo

Caso 2(Terciario)P. Apoyo

Densidad natural 21 KN/m3 20 KN/m3

Ángulo de fricción 30º 35º

Cohesión 0 KN/m2 5 KN/m2

Constante de balasto horizontal 50.000 KPa/m 150.000 KPa/m

Módulo de deformación en carga 8.000 KN/m2 60.000 KN/m2

Coeficiente de Poisson 0,32 0,30

Coeficiente de empuje horizontal en reposo 0,5 0,426

TABLA 1 Parámetros geotécnicos para los casos en estudio (Oteo et al. 2003)



comprobado el valor de la distorsión angular, la cual no debe superar 1/300 para estructuras isostáticas y estructuras de contención (CTE, 2005).

Programas de cálculo empleados

El programa RIDO fue especialmente desarrollado para la construcción de la primera línea subterránea en Francia y, actualmente, es un programa de cálculo ampliamente usado.

En este programa, la presión de tierras, que es con-siderada separadamente sobre cada lado del muro, tiene una ley de reacción de tipo lineal, limitada por las presiones activa y pasiva, comportándose en for-ma irreversible cuando estos límites son alcanzados (Kastner et al. 1993). La relación entre presión y desplazamiento está dada por el módulo de reacción del terreno K y por una relación de histéresis entre carga y deformación (Masrouri et al. 1995):

Donde:P0 : Distribución de presiones del terreno en estado

en reposoy : Desplazamiento horizontal de la pantalla en el

punto en estudiov : Factor de histéresisKh : Módulo de reacción del terreno, definido como:

Kh = Re + RpRe : Constante proporcional de KhRp : Coeficiente de incremento de la tensión efectiva

vertical en el punto en estudio

Por otra parte, el avance en los medios computacio-nales ha permitido la introducción actual de nuevos programas para el cálculo de pantallas, los cuales están basados en métodos de elementos finitos.

Para el caso en estudio se ha utilizado el programa PLAXIS creado por la Universidad de Delft, el cual se basa en elementos finitos bidimensionales que permiten realizar análisis de deformación y estabili-dad de problemas geotécnicos. El programa permite modelar los diferentes componentes del problema mediante un conjunto de elementos discretos, co-nectados entre sí a través de puntos comunes de-nominados nodos.

Para efectuar los cálculos se han seleccionado dos modelos de comportamiento: el modelo de Mohr-Coulomb, para obtener una primera aproximación; y el modelo elastoplástico con endurecimiento (Har-dening Soil). Este modelo considera la rigidez del suelo en forma más precisa que el de Mohr-Coulomb, puesto que el cálculo se basa en tres rigideces di-ferentes como datos de entrada: la rigidez triaxial en carga, por medio del módulo de deformación secante (E50); la rigidez triaxial en descarga, a través del módulo de deformación de descarga-recarga (Eur); y el módulo de deformación obtenido del edó-metro (Eoed).

Selección de la profundidad de empotramiento mínima

La profundidad de empotramiento ha sido aquella que cumple, en cada caso, con las recomendaciones especificadas en el Código Técnico de la Edificación española (Tabla 2).

FIGURA 5 Relación carga-desplazamiento del programa RIDO

Caso en estudioProfundidad de

empotramiento mínimaLongitud total de la

pantalla

Caso 1 6 m 11 m

Caso 2 2,10 m 7,1 m

TABLA 2 Profundidad de empotramiento mínima para cada caso



Análisis de resultados�� Caso 1

En el Gráfico 1 se puede observar que el programa RIDO proporciona menores profundidades de empo-tramiento que el programa PLAXIS.

En el Gráfico 2 se ve que el programa RIDO propor-ciona mayores empujes pasivos que el programa PLAXIS, estando siempre dentro de los límites de los valores calculados por Rankine. Con esto se confirma que, para este caso, RIDO proporciona un mayor grado de estabilidad al disponer de un mayor empuje pasivo posible de movilizar.

De acuerdo a los resultados presentados en los Grá-ficos 3 y 4 se puede concluir, en términos generales, que el programa RIDO proporciona mayores esfuer-zos de corte y momentos flectores que el programa PLAXIS, siendo esta diferencia de casi dos veces mayor para el caso de los cortantes negativos. Por otra parte, se puede observar que los resultados en-tre RIDO y los obtenidos por las teorías de equilibrio límite son muy semejantes entre sí.

En el Gráfico 5 se observa que PLAXIS, independiente del modelo de comportamiento empleado, propor-ciona mayores desplazamientos que RIDO.

Para relacionar los desplazamientos horizontales proporcionados por un programa y otro, dado que emplean distintos parámetros de deformabilidad, fue necesario aplicar en cada uno las distintas correlacio-nes encontradas en la bibliografía. De todas ellas, la formulación empírica que correlaciona KH y E de los autores Bazin & Schmitt aplicada al metro de El Cairo, fue la que proporcionó los desplazamientos en RIDO que más se aproximan a los resultados obtenidos en PLAXIS (Gráfico 6).

Del Gráfico 7 se puede obtener el desplazamiento horizontal en estado activo, el cual alcanza un valor de 0,0006 m, mientras que el pasivo alcanza uno de 0,0131 m. La relación entre ambos desplazamientos es de casi 22 veces superior el pasivo.

Para materiales granulares, dependiendo de su grado de compacidad, esta relación puede variar entre 2 y 12 para el caso de materiales granulares en estado denso, y entre 3 y 30 para estados medios a sueltos. De acuerdo a la relación obtenida del Gráfico 7, el material podría considerarse que se encuentra en

estado medio a suelto, lo cual es perfectamente válido teniendo en cuenta que se trata de un mate-rial cuaternario, que presenta valores típicos de NSPT entre 5 y 30.

Análisis de resultados�� Caso 2

En el Gráfico 8 se puede observar que el programa RIDO proporciona mayores profundidades de empo-tramiento que el programa PLAXIS.

En el Gráfico 9 se ve que los resultados de RIDO se encuentran siempre por debajo de los estados límite activo y pasivo definidos por Rankine. Por otro lado, en el caso de PLAXIS, el modelo de Hardening Soil supera a ambos estados, mientras que el modelo de Mohr-Coulomb sobrepasa solo al estado límite de empuje pasivo.

De acuerdo a los resultados del Gráfico 10, se pue-de observar que los cortantes proporcionados por PLAXIS son superiores a los de RIDO, siendo estos úl-timos los más semejantes a los de equilibrio límite.

En cuanto a los momentos flectores mostrados en el Gráfico 11, aquellos obtenidos por PLAXIS bajo el modelo de Hardening Soil, son superiores en un 40% aproximadamente a los obtenidos por RIDO o las teorías de equilibrio límite. Por otra parte, los resultados entre RIDO y Rankine no presentan dife-rencias apreciables.

En el Gráfico 12 se observan dos situaciones. En primer lugar, el programa RIDO entregó los me-nores desplazamientos horizontales con respecto a PLAXIS y, en segundo lugar, el modelo de Mohr-Coulomb es el único que no presentó una curva de desplazamiento como señalan los antecedentes teóricos.

Nuevamente, para correlacionar los desplazamientos horizontales proporcionados por ambos programas, se aplicaron las distintas relaciones propuestas y, en este caso, la formulación de Vésic fue la que propor-cionó la mejor de ellas (Gráfico 13).

Finalmente, en el Gráfico 14 se observa el valor de la fuerza del apoyo necesaria para mantener el equilibrio, siendo la proporcionada por RIDO la que más se asemeja a la obtenida por las teorías de equilibrio límite.



GRÁFICO 4 Curva de momentos flectores

GRÁFICO 5 Curva de desplazamientos horizontales en profundidad

GRÁFICO 6 Curva de desplazamientos horizontales en profundidad según Bazin & Schmitt

GRÁFICO 1 Profundidad de empotramiento GRÁFICO 2 Distribución de empujes

GRÁFICO 3 Curva de esfuerzo de corte



GRÁFICO 7 Relación presión-desplazamiento para pantalla en voladizo

GRÁFICO 8 Profundidad de empotramiento

GRÁFICO 9 Distribución de empujes GRÁFICO 10 Curvas de esfuerzos de corte

GRÁFICO 11 Curvas de momentos flectores GRÁFICO 12 Curvas de desplazamientos horizontales en profundidad



Conclusiones

Los métodos de equilibrio límite no proporcionaron información sobre los movimientos de la pantalla, por lo que no fue posible establecer una compara-ción entre ellos y los otros modelos utilizados en el cálculo. Sin embargo, estos métodos entregaron un valor de referencia para ser contrastados con los mé-todos basados en elementos finitos y con el método elastoplástico basado en el espacio de Winkler.

El método de Blum permitió utilizar métodos gráficos muy simples y prácticos, ayudando a resolver cada uno de los casos presentados por medio de las teorías de equilibrio límite.

El programa RIDO considera una combinación entre el modelo de Winkler y las teorías de equilibrio límite, por lo que incorpora en sus cálculos la constante de balasto, la cual no ha sido fácil de seleccionar adecuadamente.

La aplicación del modelo Mohr-Coulomb de PLAXIS permitió efectuar una primera aproximación del comportamiento del terreno. Pero si se considera un modelo de comportamiento no rigidizable (un único módulo de deformación) se reproduce peor el com-portamiento del suelo. En cambio, si se utiliza el mo-delo de Hardening Soil, que considera la rigidez del suelo en forma más precisa que el de Mohr-Coulomb (permite introducir módulos de deformación tanto en carga como en descarga), reproducen mejor el problema. A cambio, se requiere de una mayor can-

tidad de parámetros del terreno, no siempre fáciles de estimar o calcular.

De todas las correlaciones recogidas en el marco teórico que relacionan KH y E, la de Vésic propor-cionó desplazamientos horizontales más semejantes entre RIDO y PLAXIS, seguida de la formulación empírica de Bazin & Schmitt. Tanto la correlación propuesta por Ménard como los datos recogidos en las distintas etapas de ampliación del metro de Madrid, no proporcionaron resultados satisfac-torios. El ábaco de Chadeisson, que relaciona los parámetros resistentes de c y Φ con la constante de balasto horizontal, no se considera dentro de esta comparación, aunque es relevante mencionar que presenta diferencias poco importantes entre los resultados de RIDO y PLAXIS.

El giro de la pantalla en voladizo (-2,57/1000 en RIDO y -7,90/1000 en PLAXIS) resulta ser opuesto al de los casos con apoyo (0,14/1000 en RIDO y 0,38/1000 en PLAXIS), debido a la presencia del puntal. Para que el giro cambie de sentido, sería necesario disponer de un apoyo muy flexible

En general, los resultados proporcionados por el programa RIDO son los que más se asemejan a los obtenidos a partir de las teorías de equilibrio lími-te de Rankine. Por esta razón, actualmente para las diferentes obras de ampliación y construcción del metro de Madrid y para la remodelación de la Autopista M-30 de la misma ciudad, el programa RIDO es el que se emplea para el diseño y control de movimientos de los muros pantalla.

GRÁFICO 13 Curvas de desplazamientos horizontales en profundidad según Vésic

GRÁFICO 14 Valor de la fuerza F del apoyo



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