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Capítulo 6. Diseño de muros de contención

Capítulo seis

Diseño de muros de contención Contenido 6 Diseño de muros de contención .......................................................................................................................................................409 6.1 Introducción.......................................................................................................................................................................................410 6.2 Tipos de muros de contención ..................................................................................................................................................410 6.2.1 Muros de contención tipo gravedad ...........................................................................................................................410 6.2.2 Muros de contención tipo ménsula (voladizo).......................................................................................................411 6.2.3 Muros de contención con contrafuertes ...................................................................................................................411 6.2.4 Muros de contención tipo bandeja ..............................................................................................................................411 6.2.5 Muros de contención tipo criba ....................................................................................................................................412 6.3 Predimensionamiento de muros de contención ...............................................................................................................413 6.4 Fuerzas actuantes en un muro de contención....................................................................................................................414 Ejemplo 6.1.............................................................................................................................................................................416 Ejemplo 6.2.............................................................................................................................................................................418 Ejemplo 6.3.............................................................................................................................................................................422 Ejemplo 6.4.............................................................................................................................................................................423 6.5 Diseño de muros de contención ................................................................................................................................................426 6.5.1 Verificación al volteo respecto a la punta del muro ............................................................................................426 Ejemplo 6.5.............................................................................................................................................................................429 Ejemplo 6.6.............................................................................................................................................................................430 Ejemplo 6.7.............................................................................................................................................................................431 Ejemplo 6.8.............................................................................................................................................................................432 6.5.2 Verificación al deslizamiento a lo largo de la base ...............................................................................................434 Ejemplo 6.9.............................................................................................................................................................................437 Ejemplo 6.10 ..........................................................................................................................................................................437 Ejemplo 6.11 ..........................................................................................................................................................................438 Ejemplo 6.12 ..........................................................................................................................................................................439 6.5.3 Verificación a la falla por capacidad de apoyo de la base .................................................................................440 Ejemplo 6.13 ..........................................................................................................................................................................441 Ejemplo 6.14 ..........................................................................................................................................................................442 Ejemplo 6.15 ..........................................................................................................................................................................443 Ejemplo 6.16 ..........................................................................................................................................................................444 6.5.4 Verificación a la falla por asentamiento ....................................................................................................................445 6.6 Fallas por cortante en un muro de contención ..................................................................................................................446

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6.1 Introducción En el capítulo anterior se desarrollaron los procedimientos usados para la determinación de los esfuerzos laterales que actúan sobre las estructuras de retención. Las estructuras de retención, más específicamente los muros de contención, tienen como principal función la de proporcionar soporte lateral permanente al terreno, que dependiendo el propósito de la construcción puede tratarse de terreno natural o de rellenos artificiales. En el presente capítulo se lleva a cabo el diseño de muros de contención basado en la verificación de la estabilidad externa del muro.

6.2 Tipos de muros de contención Entre los tipos más generales de muros de contención se destacan los siguientes: 

Muros de contención tipo gravedad.



Muros de contención tipo ménsula (voladizo).



Muros de contención con contrafuertes.



Muros de contención tipo bandeja.



Muros de contención tipo criba.

6.2.1 Muros de contención tipo gravedad Son muros que se construyen de concreto o de mampostería, en los que la resistencia es conseguida a través de su propio peso, Fig. 6.1(a). Este tipo de construcción no es económica para muros altos, pero puede ser interesante para muros de altura moderada siempre y cuando su longitud no sea muy grande. Los muros tipo gravedad no resultan ser muy económicos debido a que al no utilizarse armadura, por lo general se trabaja con grandes volúmenes de concreto. Son aconsejables cuando el ancho de la base tiene una dimensión de ⁄ a ⁄ de la altura total del muro. Los muros de semigravedad son aquellos muros de gravedad a los que se incorpora armadura con el

objetivo de disminuir la sección del muro, Fig. 6.1 (b).

(a)

(b)

Figura 6.1. Muros de contención (a) Tipo gravedad (b) Tipo semi-gravedad.

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6.2.2 Muros de contención tipo ménsula (voladizo) Son muros que se construyen de hormigón armado y consisten de un tallo o cuerpo delgado y una losa de base. Son los más usados actualmente; y pueden tener la forma de una L o una T invertida, Fig. 6.2. Son usados generalmente a partir de una altura de 6 m. y se considera que son económicos hasta una altura de 8 a 10 m. Su aplicación depende de los costos relativos de excavación, hormigón, acero, encofrados y relleno, así como también de la apariencia y durabilidad de la obra, sobre todo en áreas urbanas.

Figura 6.2. Muro de contención tipo ménsula.

6.2.3 Muros de contención con contrafuertes Este tipo de muros constituye una solución evolucionada a los muros tipo ménsula, cuya concepción nace debido a la necesidad de aligerar las piezas en aquellos muros de gran altura en los que se requerirían, por consiguiente, grandes espesores. La geometría de estos muros, Fig.6.3, es similar a la del muro ménsula con la diferencia de que a intervalos regulares de longitud se tienen losas verticales delgadas de concreto, denominadas contrafuertes, que se hallan uniendo la cara posterior del muro con la base. Estas losas se constituyen en rigidizadores de tensión que disminuyen tanto los esfuerzos de flexión como los esfuerzos cortantes. Los muros de contención con contrafuertes son aconsejables a partir de los 12 m o cuando el relleno se halla muy sobrecargado.

6.2.4 Muros de contención tipo bandeja El concepto de funcionamiento de estos muros es muy diferente al de los muros con contrafuertes. En este tipo de muro no se trata de resistir el momento flector aumentando el canto y aligerando la sección, sino que se trata de reducir los momentos flectores debidos al relleno mediante los momentos producidos por la carga del propio relleno sobre las bandejas, Fig. 6.4.

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Su principal desventaja radica en la complejidad de la construcción, pero puede ser una buena alternativa al muro con contrafuertes para grandes alturas.

Figura 6.3. Muro de contención con contrafuertes.

Figura 6.4. Muro de contención tipo bandeja.

6.2.5 Muros de contención tipo criba El sistema de este tipo de muros emplea piezas prefabricadas de hormigón de muy diversos tipos que forman una red espacial que se rellena con el propio suelo, Fig. 6.5. La concepción de estos muros tiene su origen en la de muros análogos que se realizaban antiguamente con troncos de árboles.

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Capítulo 6. Diseño de muros de contención

Figura 6.5. Muro de contención tipo criba.

Desarrolladas las características de los principales tipos de muros de contención, a continuación se presenta para un caso general de muro, la notación utilizada a lo largo del capítulo, Fig. 6.6.

Figura 6.6. Componentes de un muro de contención.

6.3 Predimensionamiento de muros de contención Cuando se diseña muros de contención, con objeto de realizar la primera verificación de estabilidad se debe realizar un predimensionamiento o proporcionamiento de las dimensiones iniciales del muro. En caso de que la primera revisión de estabilidad no de buenos resultados, las secciones se cambian y deben volver a revisarse. Esta secuencia se sigue hasta conseguir las dimensiones óptimas del muro. A través del tiempo y basándose en la experiencia acumulada de la observación de muros estables para la condición de Rankine; se ha logrado estimar las proporciones generales tanto para muros de gravedad como para muros tipo ménsula. Estas proporciones son utilizadas para realizar la primera verificación de estabilidad. La figura 6.7 presenta las citadas proporciones. En tal figura la dimensión mínima de D debe ser 0,6 m. Es común, por lo general, que el ancho de la base sea de aproximadamente 0,5H. Por otra parte, el espesor de la parte superior del tallo debe ser tal que permita el adecuado vaciado del concreto. Finalmente, para muros de contención con contrafuertes, la separación de las losas de contrafuerte debe ser de 0,5 a 0,7H y el espesor de las losas de 0,3 m.

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(a)

(b)

Figura 6.7. Dimensiones aproximadas para varias componentes de un muro de contención para revisiones iniciales de estabilidad: (a) Muro tipo gravedad (b) Muro tipo ménsula (Das, 2001).

6.4 Fuerzas actuantes en un muro de contención Cuando se considera un muro de contención, ya sea de tipo gravedad o de tipo ménsula, las fuerzas actuantes en éste son calculadas, por lo general, en términos de componentes horizontales y verticales. Las fuerzas verticales incluyen el peso del suelo, el posible empuje vertical del agua, la componente vertical de la resultante de la presión del terreno, que sólo se presenta cuando la cara posterior del muro no es vertical, cuando el relleno es inclinado o cuando se considera la fricción suelo-muro, o finalmente cualquier otra fuerza vertical que pudiera presentarse. Las fuerzas horizontales incluyen la componente horizontal de la resultante de la presión del terreno y cualquier otro tipo de fuerza horizontal. Es necesario recordar, que en la resultante de la presión del terreno deben estar incluidos los efectos causados por una posible sobrecarga en la superficie, la carga debida a compactación o cualquier otro tipo de fuerza horizontal. La determinación de la fuerza activa que actúa sobre la cara posterior del muro debe ser realizada considerando una superficie o cara de soporte virtual. Esta cara de soporte virtual es definida realizando las siguientes consideraciones: 

Si se aplica la teoría de la presión de tierra de Rankine, la cara virtual de soporte es definida trazando una línea vertical a través del punto A que está localizado en la esquina inferior del talón de la losa de base, Fig. 6.8. Luego, se asume que en el plano AB existe la condición activa de Rankine y pueden utilizarse entonces todas las ecuaciones de Rankine desarrolladas en el capítulo 5. Las fuerzas actuantes a considerarse para este caso son: el peso del concreto , el peso del suelo que se encuentra sobre el talón y la fuerza activa de Rankine .

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Capítulo 6. Diseño de muros de contención

La teoría de la presión de tierra de Rankine es correctamente utilizada sólo cuando la zona cortante limitada por la línea AC no es obstruida por el tallo del muro, es decir cuando la línea AC no cruza el tallo del muro; pudiendo definirse como

al ángulo que forma la línea AC con la vertical,

es

determinado analíticamente a través de la ecuación (6.1) propuesta en Das (2001). (

(a)

)

(Ec. 6.1)

(b)

Figura 6.8. Cara de soporte virtual aplicada para la teoría de Rankine (a) Muro tipo ménsula (b) Muro tipo gravedad.



Si se aplica la teoría de la presión de tierra de Coulomb, el punto de aplicación de la fuerza activa de Coulomb se encuentra directamente en la cara posterior del muro; por tanto las fuerzas actuantes a considerarse para este caso son solamente: el peso del concreto y la fuerza activa , Fig. 6.9.

Figura 6.9. Cara de soporte virtual aplicada para la teoría de Coulomb.

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Ejemplo 6.1 Para el muro de contención mostrado en la figura 6.10, se pide calcular las fuerzas actuantes mediante el método de Rankine.

Figura 6.10. Muro de contención soportando un relleno inclinado y una sobrecarga.

Solución: Paso 1. Verificamos que η no cruza el tallo del muro. (

(

)

)

O.K. Paso 2. Calculamos el coeficiente de presión activa según Rankine. √

√

√

√

0 Paso 3. Calculamos :

Paso 4. Esfuerzo lateral y el empuje activo debido a la sobrecarga. Para ( )

( )

Paso 5. Esfuerzo lateral y empuje activo por influencia del terreno.

416

Capítulo 6. Diseño de muros de contención

En

,

En

( )

, ( )

( )( )( )

Figura 6.11. Diagrama de esfuerzos en el muro de contención.

Paso 6. Calculo de la fuerza total activa.

Paso 7. Calculo de la localización del centro de presión medido desde el fondo del muro. 

(

)

(

)

(

)

(

)



Figura 6.12. Presión activa calculada por el método de Rankine.

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Ejemplo 6.2 Para el muro de contención mostrado en la figura 6.13, se pide calcular las fuerzas actuantes mediante el método de Rankine.

Figura 6.13. Muro de contención soportando un relleno inclinado y una sobrecarga.

Solución: Paso 1. Verificamos que los ángulos η no cruza el tallo del muro. (

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

O.K.

O.K.

O.K. Paso 2. Cálculo de los coeficientes de presión activa según Rankine. √ √

√ √

√ √

√ √

Paso 3. Calculamos :

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Paso 4. Cálculo de los esfuerzos laterales y las fuerzas de empujes activos debido a la sobrecarga. Para ( )

(

( )

)

Para ( ) ()

Paso 5. Calculo de los esfuerzos laterales y empujes activos por influencia del terreno. En

,

En (

(

( )

)

(

( )( )( )

)

( )

) ()

En (

( )

)( )

(

)( )( )

Figura 6.14. Diagrama de esfuerzos en el muro de contención.

Paso 6. Calculo de la fuerza total activa.

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Paso 7. Calculo de la localización del centro de presión medido desde el fondo del muro.  

)

(

( )

(

) (

( )

) (

(

) )

( (

) )

(

)

 Paso 8. Cálculo del esfuerzo debido a la presión de poros. En

,

En

,

En

,

()

( )( ) Paso 9. Cálculo de la fuerza de levante mediante redes de flujo, Fig 6.15.

Figura 6.15. Redes de flujo en el muro de contención.

Para el punto A: ()

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() Para el punto B: () ( )

Figura 6.16. Fuerzas de levante debido a la presión de poros.

(

()

(

)

)( )

La fuerza de levante es:

La localización de la fuerza de levante medido desde el punto B del muro es:  

(

) (

( )

) (

)

 El esquema de todas las fuerzas en el muro de contención se muestra en la figura 6.17.

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Figura 6.17. Fuerzas en el muro de contención calculada por el método de Rankine.

Ejemplo 6.3 Para el muro de contención mostrado en la figura 6.18, se pide calcular las fuerzas actuantes mediante el método de Coulomb.

Figura 6.18. Muro de contención soportando un relleno inclinado y una sobrecarga.

Solución: Paso 1. Calculamos los ángulos θ y β:

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Paso 2. Cálculo d...