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Vuelco de estratos o toppling
El vuelco de estratos o, en inglés, “toppling” consiste en el vuelco conjunto hacia debajo de un bloque de roca por flexión de los estratos y, generalmente, se produce por una disminución del rozamiento y/o de la cohesión entre las juntas. En la mayoría de los casos, suele tratarse de un fenómeno relativamente superficial.
Los condicionantes que pueden producir este tipo de roturas son: una estratificación continua de rumbo subparalelo a la traza del talud y con buzamiento fuerte hacia el interior de este.
Para corregir este tipo de inestabilidades existen diversas soluciones. Algunas de las actuaciones empleadas habitualmente son los que se indican a continuación:
– Retaluzar saneando la zona movida. Por tanto, el nuevo talud debería tener una inclinación parecida, como mínimo, a la línea de la charnela o eje de giro de los estratos.
– Ejecución de anclajes aislados o unidos mediante algunos elementos rígidos de reparto vertical (muros, costillas verticales).
– Bulonado sistemático con una ligera tensión o pasivos.
Reparación de un muro verde incendiado
A continuación se describe el caso en el que un incendio afectó a la mayor parte de la superficie frontal de un muro de suelo reforzado cubierto en su zona frontal por vegetación. El fuego produjo el deterioro general del geotextil frontal así como de la geomalla. Además, en numerosos puntos existían roturas locales del geotextil (del orden de 50 cmx30 cm) quedando el relleno sin protección alguna.
Como se puede observar en el siguiente esquema, los muros verdes están constituidos por una serie de geotextiles que envuelven “tongadas” de material (del orden de unos 30 cm de espesor). Una vez construido el muro se coloca una geomalla que sirve para colocar la tierra vegetal que permitan realizar las correspondientes plantaciones.
La estabilidad general del muro se confiere mediante el gotextil horizontal existente entre tongadas. La función del gotextil en la zona frontal y de la geomembrana es de confinamiento del terreno (aunque tiene una cierta resistencia a tracción).
El principal peligro que existe en una situación como la descrita es la pérdida de material por las zonas donde se ha roto el geotextil y la membrana. Si este fenómeno se produjera podría afectar a la estabilidad local o general del muro.
¿Soluciones?
De manera provisional podrían colocar parches de geotextil unidos a las zonas contiguas.
Pero a medio plazo debería pensarse en restituir el muro a su situación inicial. Para ello debería reponerse todo el geotextil de la zona frontal donde está deteriorado. A continuación, se colocaría nuevamente la geomalla que permita colocar la tierra vegetal. Por último, se procedería a llevar a cabo las correspondientes plantaciones.
Célula Osterberg
Uno de los procedimientos para estimar la carga de hundimiento de un pilote es mediante la célula Osterberg que ha desarrollado la empresa Loadtest.
¿En que consiste la célula Osterberg?
Está constituida por dos platos metálicos paralelos entre los cuales se colocan una serie de gatos, cuyo número y capacidad depende de la carga que se quiera aplicar al pilote. Los gatos aplican su carga a través de un circuito hidráulico. Al ser aplicada la carga el pilote comienza a solicitarse en dos direcciones. Hacia arriba evalúa la resistencia por fuste y hacia abajo la resistencia por punta y la zona del tramo de fuste existente entre célula y punta. Se puede registrar de manera separada ambas resistencias.
En cada ensayo se debe establecer la posición de la célula. Inicialmente, podría pensarse en colocar cerca de la punta para diferencia claramente la resistencia por fuste y punta. Pero si la resistencia por punta fuera muy pequeña podría suceder que se agotara el recorrido de la célula sin haber agotado el fuste. Por ello es necesario realizar un estudio de la ubicación para cada ensayo. Pero además, es recomendable disponer un único tramo de tubo tremie entre la célula y la punta. Y esto limitará a un máximo de 10 m la ubicación por encima de la punta.
Los pilotes ensayados se pueden volver a emplear si más que inyectar con lechada de la zona de la célula.
El ensayo se detiene cuando se agota la carga de la célula o la resistencia del terreno (de la zona inferior o de la zona superior).
¿Qué se obtiene en el ensayo?
En el siguiente gráfico se muestra de manera esquemática la posible distribución de resistencias desarrolladas durante el ensayo.
- En abcisas se ha representado la carga aplicada en la célula, en cada una de las dos direcciones (hacia arriba y hacia abajo).
- En la parte superior se ha representado la resistencia por fuste movilizada. La carga inicial indicada correspondería al peso del pilote.
- En la parte inferior de la figura se ha representado la variación de la resistencia por punta movilizada en función de la carga aplicada en la célula.
Se han incluido dos rectas. Una de ellas corresponde a la hipótesis de que el tramo inferior del fuste no contribuya a resistir la carga aplicada con la célula (= 0) y toda la reacción se produzca por la punta. La otra línea correspondería a la situación en la cual se movilizase la resistencia por fuste teórica en el tramo inferior del pilote. Realmente lo más probable es que la situación sea intermedia entre las dos citadas: la punta comenzará a contribuir (conjuntamente con el fuste) desde el primer momento.
En el ensayo, en realidad, se obtendrá un gráfico en el que se represente en abcisas la carga aplicada y en ordenadas los desplazamientos de la zona superior del pilote y de la zona inferior. Y a partir de la deformación se puede obtener la resistencia unitaria.
Esto sólo ha sido un pequeño apunte para que concozcáis este modo de obtener la carga de hundimiento de un pilote, o al menos, un límite inferiro de la resistencia del terreno. Para más detalles ver http://www.loadtest.com/services_int/ocelltechnology.htm
Pilote mal replanteado
En alguna ocasión puntual cuando se procede al descabezado de los pilotes se puede comprobar que uno de los situados en la esquina está desplazado respecto a su posición teórica. Así sucedió un en encepado, en el que el eje del pilote se situaba a 2,35 m de su posición teórica.
¿Qué sucede en este caso?
En primer lugar habría que considerar que la variación de posición del pilote no produce modificación alguna en la capacidad portante del mismo, ya que las condiciones geotécnicas serán similares a las existentes en su situación original. Por tanto, si se ha alcanzado la cota teórica prevista y no ha existido ninguna incidencia durante su ejecución, se puede suponer que en el mismo pueden actuar unas cargas similares a las de diseño (en este caso, tope estructural de 40 kp/cm2 para la combinación de acciones frecuentes).
En cambio, la nueva geometría sí que produce una modificación en las cargas que serían transmitidas por cada pilote debido a la existencia de una nueva distribución (la carga será menor en el pilote desplazado y mayor en los opuestos). Hay que recordar que en el procedimiento simplificado en el que se considerar el encepado rígido y los pilotes articulados en cabeza, la resultante de las acciones se debe trasladar el centro de gravedad de los pilotes.
¿Qué hacer en este caso?
Tendríamos dos alternativas, tal como se indican a continuación:
- Recálculo de las cargas
La primera actuación podría consistir en recalcular de nuevo el encepado de acuerdo a la nueva geometría real existente. Habría que comprobar cuál es la carga máxima que actuaría sobre cada pilote.
En los cálculos teóricos iniciales se ha admitido que cada pilote recibiese una carga de 707 t (tope estructural de 40 kp/cm2 ). Si el nuevo cálculo resultara una carga ligeramente superior (por ejemplo, del orden del 10%) se podría admitir los pilotes como válidos.
Además del estudio de la carga en los pilotes, se debería analizar la nueva armadura que debería disponerse en el encepado en la zona del pilote desplazado (que necesitaría un cierto refuerzo de armadura).
- Realización de un nuevo pilote
Evidentemente, para solucionar la incidencia detectada otra posibilidad sería ejecutar un nuevo pilote en la posición teórica inicial y restablecer la geometría inicial del encepado.
Este pilote tendría la misma longitud que la del resto del encepado y su tope estructural sería asimismo idéntico. Desde el punto de vista geotécnico la capacidad portante del pilote sería idéntica a la teórica, ya que el pilote desplazado no formaría parte del encepado y, por tanto, no sería necesario considerar efecto grupo alguno.
Ensayos in situ de cimentaciones superficiales
La determinación in situ de la resistencia al corte del terreno puede hacerse mediante un ensayo de carga aplicado sobre una zapata rígida, construida sobre su superficie.
La teoría que ampara este ensayo es la que se usa para determinar la carga de hundimiento de las cimentaciones superficiales. En la práctica común se usa la denominada fórmula polinómica conocida también bajo el nombre de ecuación de Brinch-Hansen. Esa expresión se puede escribir de la siguiente forma:
Ph = c Nc sc ic + 1/2 γ B* Nγ sγ iγ
donde las variables tienen el siguiente significado:
Ph = presión vertical media que produce el hundimiento = V/ (B* L*)
c = cohesión
γ = peso específico
B* = ancho efectivo de la cimentación
L* = longitud efectiva de la cimentación
sc, sγ = coeficiente de forma del área de apoyo
ic, iγ = coeficiente de inclinación de la carga
Nc, Nγ = factores de capacidad de carga
V = fuerza vertical que provoca el hundimiento
Como puede verse, para un determinado suelo (γ, c, φ) y para una determinada dimensión del área de campo (que se supone cuadrada de lado B) existe una relación entre las cargas vertical (V) y horizontal (H) que producen el hundimiento de la cimentación.
Basándose en esta teoría se ve posible realizar un ensayo “in situ” aplicando unas fuerzas H, V que produzcan el hundimiento en una cimentación construida a estos efectos.
Los pasos que son necesarios para realizar el ensayo se ilustran de manera esquemática en la siguiente figura.
- Preparación de la superficie de ensayo.
- Anclajes para aplicar la carga vertical.
- Dados de hormigón armado.
- Medida de fuerzas y movimientos.
- Compresión con el anclaje vertical con una fuerza N.
- Empuje con gato horizontal con una fuerza H.
La fuerza H se va incrementando hasta alcanzar la plastificación del cimiento. Este valor de H de rotura se suele estimar en función de los desplazamientos medidos al aplicar la carga.
Como habitualmente quiero determinar c y φ necesito hacer dos ensayos para tener una par de parejas N, H que conduzca a la rotura del terreno.
Zapatas en la facies detrítica de Madrid
El facies Madrid, denominada geológicamente Arcosas de Madreíd, está formada por sedimentos de carácter detrítico denominándose tosco si el porcentaje de finos es mayor que el 60% o arena de miga si es menor del 25%. Generalmente, suele existir una alternancia de los distintos materiales (distinto porcentaje de finos), aunque exista un predominio de material de tipo tosquizo. Es importante aclarar que todos los materiales (tosco, tosco-arenoso, arena tosquiza y arena de miga) son de la misma naturaleza y tienen una compacidad parecida.
A la cota de cimentación prevista para las zapatas pueden producirse cuatro situaciones tipo distintas tal como se indica en la figura adjunta.
A continuación se indican las recomendaciones de cimentación para cada una de las posibles situaciones:
- Apoyo en terreno con carácter tosquizo (situaciones a y b).
Se deberá limpiar el fondo antes de colocar el hormigón de limpieza. Al tener el terreno un porcentaje apreciable de finos el espesor de material que pueda quedar removido por la maquinaria de la excavación será pequeño.
Es muy probable que la gran parte de las zapatas excavadas en esta situación estén en seco.
El agua que pueda existir en alguna de estas excavaciones procederá de alguna capa arenosa de un nivel superior o del agua que puede circular por las fisuras del tosco. En todo caso, el caudal irá disminuyendo con el paso del tiempo. Se recomienda realizar un pequeño pozo en una de las esquinas de la excavación y colocar en él una bomba para poder evacuar el agua. Esta medida suele ser suficiente para poder colocar el hormigón de limpieza en seco.
- Apoyo en terreno arenoso sin presencia de agua (situación c)
La capa del fondo de excavación estará removida por los dientes de la retroexcavadora. Si el fondo se encuentra alterado en superficie puede dar lugar a un cierto asiento de la cimentación. Para evitar este efecto, se recomienda limpiar el fondo de excavación retirando la arena removida y compactando el fondo con una “rana”. De esta manera se disminuiría la deformabilidad de la superficie de apoyo.
Si la arena estuviera muy suelta y fuera difícil de compactar se deberán profundizar la excavación hasta un nivel tosquizo rellenando la sobreexcavación con hormigón en masa.
- Apoyo en terreno arenoso con presencia de agua (situación d)
Las capas arenosas por las que transita el agua tienen un porcentaje de finos reducido ya que han sido “lavados” por la propia circulación de agua.
Esta capa de arena limpia estará bastante “suelta” debido a la presencia de agua por lo que no se recomienda apoyar sobre este terreno ya que la deformación del mismo será importante.
Se propone profundizar la excavación hasta un nivel tosquizo que, generalmente, se encontrará a una pequeña profundidad ya que el agua circula por el contacto entre una capa permeable (arenas limpias) y una capa impermeable (tosquiza). Como mínimo debería penetrar 20-25 cm en este tipo de terreno.
Acondicionamiento del apoyo de una zapata
En la mayoría de los Proyectos, aunque se indica una cota de apoyo de las cimentaciones superficiales, se suele incluir la recomendación de inspeccionar el fondo de las excavaciones. En esta entrada se incluyen algunas recomendaciones que suelen ser habituales para conseguir que el apoyo de la cimentación sea el adecuado.
Como se puede ver en la fotografía adjunta, en ocasiones existe agua en el fondo de la excavación (afluencia por las paredes de la excavación, agua de lluvia…)
En estos casos es necesario evacuar el agua y limpiar el fondo de la excavación antes de verter el hormigón de limpieza. Para ello se puede realizar en una esquina un pocete, como mínimo a 1 m por debajo del nivel previsto para el fondo de la excavación. Y se debe poner en funcionamiento la bomba para lograr evacuar el agua antes de proceder a la limpieza (que deberán realizarse en seco).
En ocasiones parte del área de apoyo de la zapata está constituida por material de pero calidad, alterado… En estos casos se recomienda proceder a realizar una sobreexcavación de esa zona para posteriormente ser rellenada con hormigón ciclópeo. A continuación se muestra un esquema de una situación real y la manera de resolverla.
Filtración a través del cimiento de las presas
En casi todas la presas se producen filtraciones a través del cimiento. Para reducirlas se suelen realizar pantallas de impermeabilización, inyecciones o incluso en algunos casos tapices impermeables.
El problema de las filtraciones no sólo es la fuga del agua del embalse sino el posible proceso de erosión interna que se puede producir en el cimiento.
A continuación se describen las actuaciones realizadas en una presa donde se observaron rezumes en una de las laderas de aguas abajo. Las actuaciones aquí realizadas pueden servir de referencia para otros problemas similares.
En este caso en el cimiento existían estratos de areniscas que, por una parte, eran erosionables pero por otra tenían una resistencia suficiente para que en su seno de formen conductos que pudieran dar lugar al fenómeno de la erosión remontante (si las arenas no tuvieran cementación no se podría dar lugar dicho problema en el cimiento).
Las posibles actuaciones que se realizaron actualmente fueron las siguientes:
- Inyectar el cimiento (que ya había sido inyectado con anterioridad)
- Impermeabilizar el cimiento desde la galería con una pantalla de jet-grouting.
- construir pozos de alivio aguas abajo
La primera de las soluciones se descartó porque ya se tenía experiencia de la dificultad de inyectar el cimiento. Las experiencias previas no fueron totalmente satisfactorias a pesar de haber probado varias técnicas.
La solución mediante jet-grouting presentaba las dificultades de ejecución debido a las dimensiones de la galería perimetral.
Finalmente se decidió ejecutar aguas abajo una serie de pozos de alivio aguas abajo. ¿Se reducirían los caudales de filtración con esta actuación? Posiblemente no. Se incrementarían ligeramente. Entonces, ¿por qué se harían? Para que el caudal se capte con una mayor control y de esta manera se podrían controlar las subpresiones aguas abajo de la presa si se abrieran las salidas de los pozos.
Para evitar el arrastre de material por parte de las filtraciones la realización de los pozos de alivio fue completada con la construcción de un filtro invertido.
