Análisis de estabilidad de una excavación con anclaje

Avance : Alfonso Armando Cerna Díaz

Referencia:

Developments in Geotechnical Engineering

ANCHORING IN ROCK AND SOIL

Second completely revised edition

Por: Dr. Ing. Leos Hobst , Ing. Josef Zajic CSc

Análisis de Estabilidad de un talud en excavaciones con Anclajes.

Evaluación de la estabilidad de muros anclados

La estabilidad de los anclajes depende de varios factores, estos factores se encuentran corroborados por las pruebas estandarizadas que se llevan a cabo cuando la raíz del anclaje haya alcanzando suficiente resistencia, y antes de cualquier trabajo sobre esta zona se realice, así como de tensionar los anclajes con una carga superior a la carga de trabajo. Sin embargo, estos factores no son suficientes para garantizar la estabilidad del sistema, es necesario también asegurarnos que los anclajes tienen la longitud suficiente para transmitir la carga a un lugar mecánicamente estable.

El modelo mostrado en la siguiente figura fue demostrado mediante ensayos por H Bendel, donde muestra en principio a los anclajes colocados a una distancia considerable desde la cara del muro, con una distancia menor a la anterior se ubican dos superficies de falla, la superior , que esta comprendida entre la pared del muro y una línea semicircular intermedia, y la superficie inferior de falla, entre la línea anterior hasta una segunda línea semicircular ubicada antes de la raíz de los anclajes.

Fig. I Modelo a de falla de un suelo arenoso con doble anclaje; muestra vectores de movimientos en los puntos de la grilla

Los modelos estudiados para este ensayo cualitativo fueron propuestos por E. Kranz and N. Janbu, los cuales son los mas usados, estos modelos fueron comparados por Huder y Arnold.

Modelo de estabilidad interna para un anclaje

Para analizar el presente modelo, suponemos las siguientes características en una excavación profunda.

Altura de la Excavación : H

Parámetros de resistencia según Mohr-Coulumb

En la presentación del siguiente modelo no se ha tomado el efecto de la sobrecarga, dicha carga puede contribuir con la estabilidad del talud o con su inestabilidad, de acuerdo al análisis realizado se deberá incluirla en el diagrama de estabilidad.

El presente modelo asume un anclaje colocado muy cerca del nivel de la superficie, hecho que sustenta la línea de falla propuesta CD, asimismo se asume las superficies de fallas lineales.

La estabilidad interna de acuerdo a Kranz esta basada en el equilibrio de todas las fuerzas actuando sobre la masa de suelo comprendida por los puntos CDFB, que asegura la estabilidad del anclaje debajo de la pared. Las fuerzas para el análisis son:

Fig. II Análisis de estabilidad de una pared con diferentes anclajes, I- anclajes con trinchera-pared, II- por una larga raíz de concreto o pila tensada,

III- por un bulbo raíz expandido

• El Peso de la masa de suelo G1

• La presión de Tierra S1

• La resistencia cortante a lo largo de la superficie de corte

• Ra y R1

• La fuerza límite del anclaje Rk, usualmente determinado gráficamente del diagrama de cuerpo libre.

El diagrama de fuerzas puede ser construido utilizando los vectores G1, S1, Ra, en la dirección R1 o en la dirección de la fuerza del anclaje.

Con el fin de no analizar la estabilidad interna separadamente, en vez del vector Ra, tomamos las reacciones equivalentes, dadas por los vectores Ga y Sa, donde:

Ga: Es el peso de la masa de Suelo ABF

Sa: Reacción del muro sobre el suelo ABF, por el desarrollo de la presión lateral del terreno, (forma trapezoidal para suelos cohesivos)

El equilibrio global de fuerzas es tomado para el cuerpo CDFA, tomando en cuenta el peso total G= G1+Ga, y las fuerzas Sa, S1, R1 y Rk, el diagrama de fuerzas queda simplificado de esta forma, con lo cual al resolver el sistema en equilibrio obtenemos:

Donde:

Son las componentes horizontales de la presión lateral de tierra.

= ángulo de inclinación del anclaje.

= ángulo de fricción interna del suelo

= ángulo de inclinación de la superficie de falla FD.

= desviación de la presión de tierra, Sa y S1 con respecto a una perpendicular de la pared anclada, determinada por la fricción entre el suelo y la pared.

Observaciones:

Puede ser necesario introducir el efecto de la presión de poros dentro del análisis estático, en caso sea requerido. La sobrecarga q, se introducirá en ele calculo solo si la inclinación de la superficie de falla FD es reducido, menor ángulo.

La estructura anclada es estable cuando la fuerza limite del anclaje Rk, que disturba el equilibrio en la superficie de falla DF, es 50% mayor que la fuerza Pk necesitada para la estabilidad de la pared (este ultimo calculada tomando momentos respecto de la base)

El factor de seguridad se verá expresado, de la siguiente forma:

Si la condición anterior no es cumplida, los tendones del anclajes deben ser extendidos o inclinados más agudamente, y fijados a mayor profundidad en la masa de suelo.

Importante:

Una solución más precisa para la estabilidad de un muro anclado con una superficie de falla curva entre D y F, ha sido elaborada por R. Jelinek y H. Ostermayer. Ellos demostraron tanto teóricamente como experimentalmente que en la mayoría de casos de muros anclados, longitudes mas cortas de anclaje pueden ser usadas que aquellas sugeridas o halladas con la solución aproximada de que la superficie de falla es asumida planar.

Antecedentes:

Terratest para el diseño de anclajes en un puente utilizó el modelo de Kranz con superficie planar. Revisar ( http://www.revistabit.cl/pdf/18articulo22.pdf )