ELEMENTOS DE RETENCIÓN Muros y tablestacas PDF

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Mayavi Trejo Bojorges 6CV5 ELEMENTOS DE RETENCIÓN Muros y tablestacas ESIA Zacatenco Mecánica de Suelos III Contenido INTRODUCCIÓN ...............................................................................................

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura

Mayavi Trejo Bojorges 6CV5

ELEMENTOS DE RETENCIÓN Muros y tablestacas

ESIA Zacatenco Mecánica de Suelos III

Contenido INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................................... 2 MUROS DE CONTENCIÓN ..................................................................................................................................................... 3 GENERALIDADES ............................................................................................................................................................................ 3 TIPOS DE MUROS DE RETENCIÓN ...................................................................................................................................................... 5 Muros de gravedad ..................................................................................................................................................... 5 Muros de concreto simple................................................................................................................................................................. 5 Muros de concreto ciclópeo ............................................................................................................................................................ 6 Muros en Gaviones ............................................................................................................................................................................. 7 Muros de criba o jaula ....................................................................................................................................................................... 8 Muros de suelo reforzado .................................................................................................................................................................. 9

Muros en voladizo ....................................................................................................................................................... 11 Muros de concreto reforzado......................................................................................................................................................... 11

Muro de contrafuertes ............................................................................................................................................... 12 Drenajes en muros ...................................................................................................................................................... 13 TABLESTACAS ....................................................................................................................................................................... 15 Tipos de tablestacas................................................................................................................................................... 15 En voladizo ......................................................................................................................................................................................... 15 Apuntaladas ...................................................................................................................................................................................... 18 Ancladas ............................................................................................................................................................................................ 18 De madera ......................................................................................................................................................................................... 20 De concreto....................................................................................................................................................................................... 20 De acero ............................................................................................................................................................................................ 21

FUENTES................................................................................................................................................................................. 23

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Introducción En las obras de ingeniería es importante el manejo de los suelos y de las presiones que la tierra puede ejercer, para esto existen elementos de retención que soportan tales empujes. De modo general, los elementos de soporte pueden clasificarse de la siguiente manera:

Rígidos

Muros de contención

Flexibles

Tablestacas

Elementos de retención

Los elementos rígidos se refieren a estructuras definitivas, son muros de retención que generalmente trabajan a gravedad y son construidos de mampostería, concreto simple o reforzado; aunque puede utilizarse una gran gama de materiales como se verá en el desarrollo del presente documento. Los elementos flexibles, al contrario de los rígidos, se refieren a estructuras utilizadas temporalmente, es decir 2Muro de Contención que servirán quizá solo durante la realización de una obra, en estos casos se utilizan tablestacas que pueden ser de acero, ancladas o apuntaladas. En esta clasificación se incluyen los ademes de madera o metálicos utilizados en cortes y excavaciones. A lo largo del tiempo se han establecido teorías para el estudio de los elementos 1Tablestacado de contención, dentro de los más importantes está la teoría de Coulomb que considera al suelo incompresible y su deformación antes de fallar es despreciable y que la falla ocurre a lo largo de las superficies planas de deslizamiento; y la teoría de Rankine que considera el ángulo de fricción interna del suelo para el cálculo de los empujes que produce. Aunque prácticas, estás teorías distan de estar matemáticamente desarrolladas completamente por lo que se requiere del criterio de los especialistas para su aplicación, por lo que resulta necesario conocer las posibles soluciones en cuanto a elementos de retención se refiere, con este fin, en el presente documento se tratan algunas estructuras de contención y sus características,

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Muros de contención Generalidades Como se mencionó anteriormente, los muros de contención sirven como elementos permanentes que soportan los empujes de tierras y evitan el deslizamiento, hundimiento o volteo del suelo. Los muros de sostenimiento se emplean comúnmente en las carreteras y ferrocarriles, así como en obras de infraestructura o en propiedades privadas con los siguientes fines:          

Resolver problemas de derecho de vía limitado confinando los taludes dentro de los límites. Proyectos de separación de niveles de caminos Ampliación de carpetas en caminos Estabilización de taludes muy inclinados en corte o terraplén Reparación de desperfectos en el lecho de un camino Evitar erosión a las márgenes Plataformas de carga Áreas de estacionamiento (cajones) Muros de protección y barricadas Transporte subterráneo (metro)

Para que un muro sea estable por sus condiciones externas, debe resistir los empujes horizontales del terreno y los esfuerzos verticales transmitidos por cargas externas mediante el peso propio del elemento y el peso del relleno, así como la longitud del empotramiento y la geometría de la estructura. De este modo se debe evitar que el muro de deslice, se voltee sobre una arista y se debe asegurar que satisfaga la capacidad de carga que soportará. A modo general, se puede decir que un muro diseñado con tales propósitos consta de:      

Relleno. Es el mayor volumen de tierra Empotramiento. Es el relleno menor en el muro, si existe, representa los empujes pasivos de la tierra. Talón. Es la extensión de la base del muro. Zapata. Superficie de desplante del muro. Escarpio. Es la parte inclinada del muro Tacón. Es el elemento usado cuando la profundidad de desplante no impide el deslizamiento.

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Empujes en un elemento de retención. En la interacción muro-terreno, pueden ocurrir en el muro deformaciones que van desde prácticamente nulas, hasta desplazamientos que permiten que el suelo falle por corte. Pueden ocurrir desplazamientos de tal manera que el muro empuje contra el suelo, si se aplican fuerzas en el primero que originen este efecto. Si el muro cede, el relleno de tierra se expande en dirección horizontal, originando esfuerzos de corte en el suelo, con lo que la presión lateral ejercida por la tierra sobre la espalda del muro disminuye gradualmente y se aproxima al valor límite inferior, llamado empuje activo de la tierra. Si se retira el muro lo suficiente y pierde el contacto con el talud, el empuje sobre él es nulo y todos los esfuerzos de corte los toma el suelo Si el muro empuja en una dirección horizontal contra el relleno de tierra, la tierra así comprimida en la dirección horizontal origina un aumento de su resistencia hasta alcanzar su valor límite superior, llamado empuje pasivo de la tierra. Cuando el movimiento del muro da origen a uno de estos dos valores límites, el relleno de tierra se rompe por corte. Si el muro de contención es tan rígido que no permite desplazamiento en ninguna dirección, las partículas de suelo no podrán desplazarse, confinadas por el que las rodea, sometidas todas ellas a un mismo régimen de compresión, originándose un estado intermedio que recibe el nombre de empuje de reposo de la tierra. Se puede apreciar que los empujes de tierra se encuentran fuertemente relacionados con los movimientos del muro o pared de contención. Con el estado actual del conocimiento se pueden estimar con buena aproximación los empujes del terreno en suelos granulares, en otros tipos de suelos su estimación puede tener una mayor imprecisión. Los suelos arcillosos tienen apreciable cohesión, son capaces de mantener taludes casi verticales cuando se encuentran en estado seco, no ejercen presión sobre las paredes que lo contienen, sin embargo, cuando estos suelos se saturan, pierden prácticamente toda su cohesión, originando empuje similar al de un fluido con el peso de la arcilla, esta situación nos indica que si se quiere construir un muro para contener arcilla, este debe ser diseñado para resistir la presión de un líquido pesado, más resistente que los muros diseñados para sostener rellenos no cohesivos. En caso de suelos mixtos conformados por arena y arcilla, es conveniente despreciar la cohesión, utilizando para determinar el empuje de tierra solo el ángulo de fricción interna del material. 4

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Tipos de muros de retención Muros de gravedad Son muros de gran masa que resisten los empujes mediante su propio peso y el peso del suelo de relleno que se apoya en ellos, funcionan para alturas moderadas menores de 5m y longitudes no muy extensas. Se caracterizan por ser muros de grandes dimensiones que al no estar reforzados ofrecen una opción económica para muros moderadamente “pequeños”. La estabilidad de estos muros se logra con su peso propio, por lo que se requieren grandes dimensiones dependiendo de los empujes que soportará. La base de un muro de gravedad va desde 0.4H a 0.7H, en donde H es la altura del muro, por economía la base debe ser lo más angosta posible mientras sea lo suficientemente ancha para proporcionar la estabilidad del muro contra el volcamiento y el deslizamiento y para originar presiones no mayores a las que el factor de seguridad permite. En lo que respecta a su sección transversal pueden tener varias formas, y pueden construirse de distintos materiales.

Muros rígidos Son estructuras de contención generalmente de concreto que no permiten deformaciones importantes sin romperse. Se apoyan sobre suelos resistentes para transmitir las fuerzas a su cimentación al cuerpo del muro. El empleo de muros rígidos para estabilizar deslizamientos es lo más común, sin embargo el análisis de cada caso particular es complejo, además de las diferencias reales que existen entre las fuerzas que actúan sobre el muro y lo que los procedimientos de análisis basados en criterios de presiones activas, utilizando las teorías de presión de tierras de Rankine o Coulomb. Muros de concreto simple Los muros de concreto sin refuerzo son mamas grandes de concreto que trabajan como estructuras rígidas a gravedad, se recomienda no superen alturas de 4 metros ya que además del costo, se presentan esfuerzos a flexión que no pueden ser resistidos por el concreto y se pueden presentar las roturas o fallas en la parte inferior del muro. El diseño de un muro en concreto debe tener en cuenta la estabilidad interna del muro, el factor de seguridad del deslizamiento y la capacidad de soporte como en los muros voladizos, sin embargo, en el caso de muros masivos de gravedad, no se realiza un análisis de momentos internos. 5

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Los muros de concreto, en todos los casos, deben tener un sistema de drenaje para eliminar la posibilidad de presiones de agua. Se deben construir juntas de contracción o expansión, en ningún caso deben tener distancias superiores a 10 metros. Si los materiales utilizados poseen coeficientes altos de dilatación por cambio de temperatura, las juntas deben colocarse a menos de 8 metros de distancia entre ellas. La pendiente de la pared del muro debe tener una inclinación similar a la recomendada para muro de concreto diseñado en voladizo. Los muros de concreto deben cimentarse por debajo de la superficie de falla con el objeto de obtener fuerzas de reacción por fuera del movimiento que aporten estabilidad, no solo al muro sino al deslizamiento. Muros de concreto ciclópeo El concreto ciclópeo es una mezcla de concreto con cantos o bloques de roca dura. Generalmente, se utilizan mezclas de 60% de concreto y 40% de volumen de bloques de roca. Beneficios. Su uso genera empleos temporales, son más económicas que otras estructuras (de tabique u otros materiales ligeros), su cálculo y construcción son fáciles; no requieren de mantenimiento sofisticado, es fácil conseguir los materiales con que se construyen, protegen las vías y casas de las áreas urbanas, tienen mayor durabilidad y resistencia al deterioro ambiental, evitan pérdidas económicas de los insumos que se transportan por vía terrestre. Controlan el deterioro de las márgenes de los ríos, son de utilidad en el mantenimiento de las áreas útiles de cultivo y también sirven para la delimitación de predios. Desventajas. Al construirlos, debido a su peso, no se pueden establecer en terrenos de baja consistencia y cohesión. Se deben de eliminar todos los materiales indeseables tales como: fragmentos de roca, material vegetal, suelos arenosos e inestables (derivados de cenizas volcánicas). Condiciones donde se establece. Se requiere de terrenos con alta consistencia y resistencia, además de ubicación precisa para aprovechar al máximo su funcionamiento. Donde hay riesgo de desplazamientos de tierra, nieve y agua; deben de anclarse adecuadamente. Para el diseño de muros de concreto ciclópeo se deben tener en cuenta la totalidad de los criterios indicados anteriormente para los muros de concreto simple y adicionalmente los siguientes criterios:  

Los muros de concreto ciclópeo poseen resistencia baja a la tensión y no se permiten muros esbeltos. No se debe utilizar bloques de roca frágil o blanda (por ejemplo, lutitas o esquistos). 6

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   

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 



Emplear piedras mayores de 30 cm, que no tenga grietas o fisuras e inclusiones de materiales diferentes a la composición de la piedra Deben de rechazarse piedras con caras redondeadas o boleadas (forma de bola). Los espacios entre las piedras no deben ser mayores de 2.5 cm. En espacios mayores de 3 cm deberán éstos de acuñarse con piedras pequeñas o rajuelas del mismo material de las piedras. En la construcción del muro se vigilará que las piedras que-den perfectamente “cuatrapeadas“ tanto horizontal como verticalmente, con el fin de lograr un buen amarre y evitar cuarteaduras en las juntas. Las piedras más grandes se colocarán en la parte inferior y se seleccionaran aquellas que posean formas y cortes adecuados para ser colocadas en esquinas, orillas y ángulos. En caso de que exista el riesgo de que el muro pueda deslizarse, debido a la pendiente del terreno (entre el 5 y 20 %) y el empuje de la tierra, se recomienda hacer un dentellón en la base de la estructura para evitar el desplazamiento de la misma. Las dimensiones de la base serán siempre las mismas para cualquier altura y longitud ya que se trata de darle horizontalidad al desplante para que las fuerzas se repartan uniformemente. En zonas de alta y media precipitación, el muro de contención debe tener drenes a diferentes alturas para evitar la acumulación de agua, éstos se colocaran en función de la altura del muro y permeabilidad del suelo. Los drenes deben de tener un diámetro interior de 3 pulgadas y el material puede ser de concreto o de PVC. En la parte posterior del muro de contención debe de colocarse un filtro de grava para evitar el taponamiento de los drenes con la tierra.

Muros flexibles Son estructuras masivas y flexibles. Se adaptan a los movimientos y su efectividad depende de su peso y de la capacidad de soportar deformaciones importantes sin que se rompa su estructura. Los muros flexibles son estructuras que se deforman fácilmente por las presiones de la tierra sobre ellas o que se acomodan a los movimientos del suelo y generalmente, se diseñan para resistir presiones activas en lo que se refiere a su estabilidad interna y actúan como masas de gravedad para la estabilización de deslizamientos de tierra. Muros en Gaviones Los gaviones son cajas de forma prismática de enrejado metálico de malla hexagonal de triple torsión elaborado con alambre galvanizado reforzado, que son llenadas con piedras de cantera o cualquier material similar que se pueda obtener de la obra o sus cercanías. Los muros de gaviones (gabbions) están formados por la superposición de estos gaviones, que por constituir grandes masas funcionan a gravedad. 7

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Estos muros son estructuras de gran resistencia y flexibilidad que se adaptan bien a los asientos deferenciales y movimientos del terreno sin perder su eficacia ni fracturarse. Estas estructuras, además, se integran fácilmente en el paisaje ya que permiten el desarrollo de vegetación en los huecos rellenos de tierra, reduciendo así su impacto medioambiental. El desarrollo de aleaciones metálicas más durables y resistentes a las condiciones ambientales y el empleo de materiales como el plástico y el prolipropileno de alta densidad ha provocado un notable avance en la tecnología de los muros de gaviones. Los muros de gaviones su utilizan en carreteras, autopistas, vías férreas convencionales y de alta velocidad, edificaciones y urbanizaciones, entre otros. En el diseño de los muros de gaviones la base se calculará como normal general con la siguiente fórmula: B= ½(1+H), H= altura del muro. Montaje: 1. Se despliega la malla en el suelo, se levantan las paredes y las dos cabezas hasta formar la caja y se cosen las aristas con alambre galvanizado reforzado 2. Se coloca el gavión armado en su ligar definitivo y se ata a los gaviones contiguos. 3. Una vez colocados se rellenan con cantos o canteras. 4. Los gaviones se cosen y se coloca la hilada superior. Muros de criba o jaula Los muros de cribas o muros jaula son obras de contención constituidas por una serie de celdas rellenas de material granular, preferentemente compactado. Se trata de un muro realizado con piezas prefabricadas de concreto, aunque también pueden ser de madera, que crean una red espa...