DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA Y LA CONSTRUCCIN

CARRERA DE INGENIERA CIVIL

TEMA: DISEO DE OBRAS DE ESTABILIZACIN CON APLICACIONES COMPUTACIONALES EN TRES SITIOS DE LA VIA E45 LOCALIZADOS EN EL TRAMO DE BAEZA TENA

ELABORADO POR: EDISSON RUBN FLORES REINOSO RAFAEL ANDRS GONZLEZ CARRINDIRECTOR: ING. ERNESTO PRO CODIRECTOR: ING. HUGO BONIFAZ

SANGOLQU, AGOSTO 2014

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA Y LA CONSTRUCCIN

En el Ecuador y en otras partes del mundoLos suelos han sufrido sucesivasCausan daos a las estructuras que se cimentan sobre ellos o cercaEstructuras de retencinEstabilizacin de taludesRefuerzo de SuelosErosionesFiltracionesDeslizamientosAsentamientosSolucinSe relacionanCaractersticas geomecnicas de materialesAltas precipitacionesMal manejo del drenaje superficialDeficiencias constructivasANTECEDENTESMUROS DE CONTENCINEstructuras para proveer estabilidad a taludes de tierraPueden serMuros de gravedadMuros con contrafuertesMuros de tierra armadaMuro de gavionesMuros anclados, etc.

3REA DE INFLUENCIA Los sitios de estudio en los cuales se desarrollara el presente proyecto de tesis se encuentran en la va Papallacta - Baeza Tena. SITIO 1

El sitio inestable No.1 se encuentra localizado en la Va Papallacta - Baeza, aproximadamente en el km 33.6 antes de llegar a la poblacin de Baeza.

SITUACIN ACTUAL SITIO 1 Las caractersticas de la va construida en el sitio de anlisis se describen en la tabla siguiente.

Se aprecia una sobresaturacin del material de cobertura en la ladera, colapso de un muro de gaviones y prdida de cunetas.

SITIO 2 El Sitio inestable No.2 se encuentra localizado en la Va Baeza - Tena, aproximadamente a 19 KM partiendo de la poblacin de Cosanga hacia la poblacin de La Merced de Jondachi.

SITUACIN ACTUAL SITIO 2 Las caractersticas de la va construida en el sitio de anlisis se describen en la tabla siguiente.

Colapso de espaldones, cunetas y perdida de una parte de la calzada tambin se aprecia que existe erosin del suelo bajo las losas de hormign que conforman la estructura del pavimento rgido de la va.

SITIO 3 El Sitio inestable No.3 se encuentra localizado en la Va Baeza - Tena, aproximadamente a 5.2 KM partiendo de la poblacin de La Merced de Jondachi hacia la poblacin de Archidona.

SITUACIN ACTUAL SITIO 3 Las caractersticas de la va construida en el sitio de anlisis se describen en la tabla siguiente.

Colapso del muro de contencin de gaviones que ha causado perdida de los espaldones de la calzada y destruccin de las cunetas. Por la destruccin de las cunetas el agua lluvia se descarga directamente en el talud agravando progresivamente el problema.

OBJETIVOS DE PROYECTOOBJETIVOGENERALSeleccionar la mejor alternativa de diseo Estabilizar los taludes en los 3 sitios afectadosPara Y conseguirBuen funcionamiento de la vaGarantizar la seguridad de los usuariosOBJETIVOSESPECFICOSObtener datos topogrficos y geotcnicos

Elaborar gua de usuarioMuro ancladoMuro de gavionesMuro de tierra armada

Aplicar la NEC 2013Enfocada a taludes y diseo de murosIMPORTANCIA DEL PROYECTOPROYECTO Contiene bases tericas y manejo de programas Estabilizacin mediante muros de contencinPara la UtilizandoParmetros de caracterizacin del suelo propios de cada sitios de estudio Ubicados en la va Papallacta Baeza - TenaTALUD Superficie inclinada con respecto a la horizontal Natural Puede ser Construido Resistencia al corte del suelo Produce Inestabilidad al taludCausas Razones Geolgicas Variacin N.F Relleno, Excavaciones Estabilidad del taludDepende Resistencia al corteEmpujesDiscontinuidades

La forma de analizar la estabilidad de un talud es determinar el factor de seguridad:

Donde:FS= Factor de seguridad con respecto a la resistenciaTf= Resistencia al corte promedio del sueloTd= Esfuerzo cortante promedio desarrollado a lo largo de la superficie de falla.

La resistencia al corte y el esfuerzo cortante de un suelo consta de dos componentes, la cohesin y la friccin, y se expresa como:

Anlisis de taludes con superficie de falla circularmente cilndricaLa falla de los taludes ocurre en uno de los siguientes modos: 1.- Cuando la falla ocurre de tal manera que la superficie de deslizamiento interseca al talud en su pie o arriba del mismo es llamada una falla de talud. Al crculo de falla se le llama crculo de pie si este pasa por el pie del talud y crculo de talud si pasa arriba de la punta del talud.

Falla de Talud

Bajo ciertas circunstancias es posible tener una falla de talud superficial.

Falla superficial 2.- Cuando la falla ocurre de tal manera que la superficie de deslizamiento pasa a alguna distancia debajo del pie del talud, se llama falla de base. El crculo de falla en el caso de una falla de base se llama crculo de media punta.

Falla de baseCada tipo de suelo tiene sus propiedades para mantener la estabilidad, que son el ngulo de friccin interna y el peso especfico .

MTODO DE BISHOP

Bishop (1951)Superficies de falla circulares Equilibrio de fuerzas actuantesyEquilibrio de momentos respecto al centro del arco circular de falla

MTODO DE JANBU

JanbuSuperficies de falla no necesariamente circulares Equilibrio de fuerzas , no de momentosIncremento de un factor de correccin fo

ESTABILIDADDE MUROS DE CONTENCIN

EstabilidadSe realiza comparando AccionesEstabilizar a la estructuraDesestabilizar a la estructuraPara obtener un factor de seguridad FSESTABILIDAD EXTERNA

Las principales comprobaciones que se analizan dentro de la estabilidad externa son las siguientes: Estabilidad al deslizamiento. Estabilidad al vuelco.Estabilidad al hundimiento. Estabilidad global.

Estabilidad al vuelco

Estabilidadaldeslizamiento

Para determinar las Fest y las Fdst, es necesario estudiar la estabilidad al deslizamiento a nivel del terreno de cimentacin.

Referidos Eje de GiroArista exteriordel muro

FdstProvocan el deslizamientoEmpujes horizontalesFestResisten el deslizamientoFuerzas de friccin referidas a la interaccin suelo- estructuraChequeo de las presiones en la fundacin

La presin en la fundacin y la excentricidad se obtienen:

Estabilidad global La estabilidad global involucra a las fallas superficiales que se extienden a travs de todo el cuerpo del terrapln, del talud o del muro y por debajo del suelo de desplante.

Donde:Mr, Momento ResistenteTs, Sumatoria de fuerzas de traccin del refuerzoD, Radio R del crculo de falla.

ESTABILIDAD INTERNAResistencia RoturaArrancamientoMallas de refuerzo

La localizacin de las mximas tensiones que se generan en las mallas de refuerzo queda definida por una superficie curva, que para efectos de simplificacin en el diseo se asume como recta.Generalmente en suelos de tierra armadaESTABILIDADINTERNAPRESIN LATERAL DE TIERRA EN MUROS

TEORAS DE EMPUJE DE TIERRAS

TEORIA DE RANKINE La teora de Rankine para obtener la magnitud de los empujes del suelo sobre los muros se basa en las siguientes hiptesis:

Suelo istropo y homogneoNo existe friccin entre el suelo y murongulo que forma el relleno con la horizontalCara interna vertical =90 H Segn la teora de Rankine, la presin activa y pasiva es respectivamente:

Los coeficientes de los empujes varan si el terrapln de relleno es horizontal o inclinado. Para terrapln horizontal se tiene:

Para terrapln inclinado se tiene:

El suelo es una masa istropa y homognea, con friccin interna y cohesin. el ngulo de friccin interna del suelo. La cua de falla se comporta como un cuerpo rgido. Es el ngulo de friccin entre el suelo y el muro, tambin conocido como ngulo de rugosidad del muro.La falla es plana, y el muro se considera de longitud unitaria.

TEORA DE COULOMBPara obtener la presin activa y pasiva de tierras por la teora de Coulomb se usan la siguientes ecuaciones:

Donde:Ka y Kp, son los coeficientes de la presin activa y pasiva:

Donde:,ngulo de friccin interna del muro, ngulo de friccin suelo-muro,ngulo de inclinacin del terrapln, ngulo de inclinacin de la cara interna del muro

TEORA DE MONONOBE OKABE

Debido a la presencia del movimiento ssmico, las fuerzas que actan sobre la cua de falla de suelo, son esencialmente las mismas que se usan para el clculo de la presin activa en ausencia de condiciones ssmicas, con la adicin de los coeficientes Kh y Kv, mismos que estn definidos de la siguiente manera:

Presin activa en condiciones ssmicas

MUROS DE GAVIONES

Los muros de gaviones son los formados por superposicin de mallas de forma prismtica, fabricadas generalmente mediante enrejado de alambre galvanizado en cuyo interior se introducen rocas de pequeo tamao.

Posibilidad de construir macizos de gran volumen y peso.Alta permeabilidad, lo que posibilitar el flujo de agua a travs de ellos.Proceso constructivo simple que no requerir de equipos o mano de obra especializada. CARACTERSTICASMallaMalla de acero galvanizado de doble torsin Forma hexagonalMaterial de rellenoCantos rodados, piedras de cantera, materiales artificiales producto de demolicionesDimensin debe ser al menos 1,5 veces la abertura dela mallaDimetro usual 2,7 a 3mm

MUROS ANCLADOSMuro ancladoEstabilidad a travs de tirantes de anclaje Fuerzas de empujes y sobrecargasA una zona detrs de la superficie de fallaLograSe trasladanPara soportarEl anclaje se fija por medio En dondeDe unBulbo de adherencia Que pude funcionar aTraccinFriccin

Capacidad de tensin de la barra del anclaje Donde:At = Seccin transversal de la barra del anclaje (cm2)fy = La resistencia a la fluencia de la barra del anclaje (Kg/cm2)

Arrancamiento del anclaje Este modo de falla puede ocurrir la longitud del anclaje es insuficiente.

Donde:Qu = Capacidad al arrancamiento por unidad de longitudqu = Resistencia ltima al arrancamiento (Kg/cm2)DDH = promedio del dimetro efectivo del agujero de perforacin (cm)

Adherencia admisible del bulbo

Siendo:c = Cohesin efectiva del terreno en el contacto terreno-bulbo.(Kg/cm2)'= ngulo de rozamiento interno efectivo del terreno en el contacto terreno-bulbo.= Presin efectiva del terreno en el centro del bulbo.(Kg/cm2)F2c= 1,60; coeficiente de minoracin de la cohesin. F2= 1,35; coeficiente de minoracin de la friccin.

Fuerza de tensin en el revestimiento (pantalla) del muro

Donde: KA=Coeficiente de la presin activa del suelo= Peso especfico del suelo (T/m3)H= Altura del muro(m)

Capacidad de flexin del revestimiento (pantalla)

Donde:CF = Factor que considera presiones de suelo no uniformes detrs de la cara del muro.h = Espesor del revestimiento(pantalla) [m]avn, ahn = rea de seccin transversal de acero en la direccin vertical y horizontal en la cabeza del anclaje(mm/m)avm, ahm =rea de seccin transversal del refuerzo por unidad de longitud en la direccin horizontal y vertical en el centro entre anclajes. (mm/m)SH = Espaciamiento horizontal del anclaje(m)SV = Espaciamiento vertical del anclaje (m)fy = Resistencia a la fluencia del reforzamiento (Mpa)

Capacidad de corte al punzonamiento en pantalla

Donde:VF = Fuerza punzonamiento actuando a travs de la seccin. (KN)CP = Factor de correccin que tiene en cuenta la contribucin de la capacidad de soporte del suelo.(CP=1) La fuerza de punzonamiento VF en (kN) viene dada por la siguiente expresin:

DC = Dimetro efectivo de la superficie de falla cnica al centro de la seccin [m]hc = Profundidad efectiva de la superficie cnica.[m]fc= Resistencia a la compresin del concreto. (Mpa)MUROS DE TIERRA ARMADA CON MALLA DE ACERO GALVANIZADO

Muro de tierra armada Asociacin de tierra y elementos linealesAl macizo una resistencia a la tensinSuelo granular compactadoEsPorQue danMallas de refuerzo y gaviones de revestimiento En donde se colocanMallas tienen un recubrimiento sinttico de PVCLa tensin se transmite del suelo a las mallas FriccinConstituido por

El sistema de tierra armada con malla cuenta con tres elementos principales que son: Recubrimiento de gavionesMalla de refuerzo El material granular ocupado para relleno.

Resistencia a la rotura de las mallas de refuerzo

Donde:Tult : Resistencia ltimaFRCR: Factor de reduccin - Creep.FRD : Factor de reduccin - Dao instalacinFRID : Factor de reduccin Daos ambientales

El valor de Td tambin puede ser calculado en base a la resistencia del refuerzo en su seccin transversal mediante un de ensayo de rotura a traccin.

Resistenciaalarrancamientodelasmallasderefuerzo La resistencia al arrancamiento est directamente relacionada con la longitud de las mallas en la zona resistente.

Para el clculo la longitud mnima requerida para evitar el arrancamiento de las mallas de refuerzo:Donde:Le: Longitud de las mallas en la zona resistente. Tmax: Carga mxima en el refuerzo.: Factor de resistencia al arrancamientoF*: Factor de friccin.: Factor de correccin V: Esfuerzo vertical.C: Factor adimensional igual a 2.RC: Es igual a 1.GEOTCNIALos ensayos de suelos realizados en cada sitio inestable corresponden a:

Parmetros de resistencia al corteEnsayo de penetracin estndar (SPT) Cohesin (Ensayo triaxial)ngulo de friccin interna (Ensayo triaxial)Relaciones volumtricasPeso especfico (Densidad natural)Contenido de humedadLmite lquidoLmite plsticondice de plasticidad

SITIO 1.En el sitio 1, en el que se distingue la inestabilidad se ejecut una perforacin de 6.0 metros y 2 calicatas de 2.0 metros de profundidad. Adems se ejecut un sondeo para registrar la presencia de Nivel Fretico

El resumen de los trabajos de las perforaciones, calicatas y sondeos para N.F. se presenta en la siguiente tabla.

El resultado de la clasificacin determino la presencia de un limo arenoso (ML).

Los colores varan de caf, habano a caf rosado o caf gris.

Ni en la perforacin ni en las calicatas se registra presencia de nivel fretico.El resultado del ensayo triaxial dio los siguientes resultados.

El resultado del esfuerzo admisible del suelo es:

Las recomendaciones para la cimentacin, tomando en cuenta los resultados de los ensayos son.

Tipo de cimentacin ______________________ SuperficialCota de cimentacin ______________________ 1840 a 1842 msnmEsfuerzo admisible qa _____________________ 2.45 Kg/cm2.Asentamiento mximo_____________________ 2.5 cm.SITIO 2.Se ejecut una perforacin de 4.0 metros de profundidad y cuatro calicatas de entre 1.2 a 2.5 metros de profundidad. Adems se realiz un sondeo para registrar la presencia de nivel fretico.

El resumen de los trabajos de las perforaciones, calicatas y sondeos para N.F. se presenta en la siguiente tabla.

El resultado de la clasificacin determino suelo rocoso y fragmentos de roca o grava estn inmersos en una arena limosa no plstica (SM), (SP/SM).

Color plomo claro o casi blanquecino a color caf. Superficialmente el suelo se presenta suelto, luego y hasta la profundidad investigada se torna compacto a muy compacto, por la presencia de material rocoso.Ni en la perforacin ni en las calicatas se registra presencia de nivel fretico.En este sitio el tipo de suelo no permiti tomar muestras indisturbadas por lo que no se realiz ensayo triaxial.La determinacin del ngulo de friccin interna se hizo en base al ensayo SPT con la siguiente metodologa.

El resultado del esfuerzo admisible del suelo es:

Las recomendaciones para la cimentacin, tomando en cuenta los resultados de los ensayos son.

Tipo de cimentacin ____________________ SuperficialCota de cimentacin ____________________ 1660.5 a 1663 msnmEsfuerzo admisible qa ___________________ 2.84 Kg/cm2.Asentamiento mximo___________________ 2.5 cm.

SITIO 3.En el Sitio 3 se ejecutaron dos perforaciones de 8.0 metros de profundidad cada una y cuatro calicatas de 2.0 metros de profundidad. Adems se ejecutaron dos sondeos para registrar la presencia de nivel fretico.

El resumen de los trabajos de las perforaciones, calicatas y sondeos para N.F. se presenta en la siguiente tabla.

El resultado de la clasificacin determino un limo arenoso bastante plstico (MH), color blanquecino amarillento a habano y gris.

Hasta los 6 metros de profundidad el suelo se presenta suelto y luego se torna medianamente compacto a compacto.

Ni en la perforacin ni en las calicatas se registra presencia de nivel fretico.

El resultado del ensayo triaxial dio los siguientes resultados.

El resultado del esfuerzo admisible del suelo es:

Las recomendaciones para la cimentacin, tomando en cuenta los resultados de los ensayos son.

Tipo de cimentacin _______________________ SuperficialCota de cimentacin _______________________ 1151 a 1153 msnm Esfuerzo admisible qa ______________________ 0,64 Kg/cm2.Asentamiento mximo______________________ 2.5 cm.

Estos parmetros se cumplen siempre y cuando bajo el nivel de cimentacin se realice un mejoramiento del suelo en un espesor de 2.0 metros. Para el mejoramiento del suelo se recomienda usar material granular con caractersticas de subbase clase 3, el mismo que debe ser colocado y compactado en capas de 20 cm de espesor esperando llegar a un valor de esfuerzo admisible (qa) de 2,5 Kg/cm2, cumpliendo con la norma (ASTM D-698) que deber llegar a tener un 95 % de compactacin del mtodo Proctor Modificado. El ngulo de friccin adoptado para el diseo ser el correspondiente al material de mejoramiento =35al igual que la densidad natural cuyo valor ser 1660 Kg/m3 obtenida del ensayo de compactacin. RESUMEN DE PARAMETROS DEL SUELO OBTENIDOS.

ANLISIS Y CLCULO DE LA SOBRECARGA VEHICULAR PARA LOS 3 SITIOS La sobrecarga se analizar para las cargas producidas por un camin estndar tipo H, el cual tiene 2 ejes (delantero y posterior).

En la figura muestra la carga en los ejes dos tipos de camiones tipo H, el 20-44 y 15-44, en este caso se tomar los valores de peso del camin H-20-44.(Camin estndar).

CLCULOSPeso total del camin = Peso eje delantero + Peso eje posteriorPeso total del camin = P1+P2Peso total del camin = 0,2 *W +0,8*WPeso total del camin = 8000 lb +32000 lbPeso total del camin = 40000 lb El anlisis de sobrecarga ms crtico ser en el eje ms pesado del camin es de decir el que tiene el 80 % del peso.

ANLISIS Y CLCULO DEL FACTOR SSMICO PARA LOS TRES SITIOS Segn la norma NEC 2013 en la seccin 2.7.9.7 el clculo para considerar un factor ssmico para muros es el siguiente:

Donde:V= Fuerza lateral = Relacin de amplificacin espectral Z= Coeficiente de aceleracin de la gravedadFa= Factor de sitio dependiendo el tipo de sueloI= Factor de ImportanciaW= Peso total de la estructuraR= Factor de reduccin de respuesta

Coeficiente de aceleracin de la gravedad (Z)Zona ssmica 4Z=0,35

Factor de importancia (I)

I=1

Factor de sitio dependiendo el tipo de suelo (Fa)

La resistencia al corte promedio Su es mayor a 1 (Su>1 kgf/cm2), en los 3 sitios por lo tanto se asume un tipo de suelo tipo C.

Los suelos de los tres sitios corresponden a un tipo de perfil C.

Fa=1,23

Factor de reduccin de respuesta (R )

R=3Por lo tanto el coeficiente de aceleracin de la gravedad ser:

DISEO SITIO 1- MURO ANCLADODe la topografa realizada en el sitio 1 , se obtuvo el perfil transversal del sitio donde se va a cimentar el muro con anclajes.

Factor de seguridad al deslizamiento62 Factor de seguridad al volcamiento

Clculo de presiones en la fundacin

A continuacin se tiene una tabla comparativa de los resultados obtenidos manualmente con los del software SNAP, observando que los valores son similares

DISEO SITIO 2- MURO DE GAVIONESDe la topografa realizada en el sitio 2 , se obtuvo el perfil transversal del sitio donde se va a cimentar el muro gaviones.

A continuacin se tiene una tabla comparativa de los resultados obtenidos manualmente con los del software GAWACWIN, observando que los valores son similares.

MODELOS SSMICOS

DISEO SITIO 3- MURO DE TIERRA ARMADA

ESTABILIDAD INTERNAA continuacin se tiene una tabla comparativa de los resultados obtenidos manualmente con los del software MACSTARS 2000, observando que los valores son similares.

PRESUPUESTO

Nota: En el presupuesto no considera costos indirectosDISEO SITIO 1

DISEO SITIO 2

DISEO SITIO 3

GRACIAS POR SU ATENCIN