Empujes del Terreno sobre el Elemento de Contención.

Para calcular los empujes del terreno sobre un elemento de contención o viceversa puede suponerse la siguiente ley de empujes unitarios:

Siendo

σh: tensión horizontal total a la profundidad considerada

K: el coeficiente de empuje correspondiente

σz’: la tensión efectiva vertical a la profundidad considerada

uz: la presión intersticial a la profundidad considerada.

Si existe una sobrecarga uniforme q sobre el terreno, ésta se puede sustituir por una altura de tierras equivalente He: 

Siendo

γ: el peso especifico aparente de las tierras.

En este caso los empujes unitarios sobre el muro se incrementarán, en toda la altura, en:

Si el terreno de trasdós está estratificado, cada estrato puede transformarse en una sobrecarga para el subyacente, deduciéndose la ley de empujes en forma acumulativa.

Si el trasdós del elemento de contención es quebrado, la ley de empujes se obtendrá aplicando para cada tramo el coeficiente (K) correspondiente a su inclinación.

Cuando la superficie del terreno sea irregular, el empuje resultante sobre el elemento de contención se determinará tanteando diversas superficies de rotura.

En el planteamiento de un elemento de contención deben tenerse en cuenta, tanto los condicionantes geotécnicos como los relacionados con su funcionalidad, que entre otros serían:

a) geometría y deformabilidad del elemento de contención;

b) características geotécnicas e historia tensional del suelo retenido;

c) compactación requerida, en su caso, para el relleno;

d) terreno de cimentación;

e) movimientos admisibles en la cabeza y el pie del elemento, así como en el terreno situado en el entorno;

f) situación del nivel freático y afección del elemento de contención y del sistema de drenaje al nivel freático del entorno;

g) espacio disponible para la construcción;

h) uso y durabilidad.

En la valoración de los parámetros de cálculo y la evaluación de los empujes sobre los elementos de contención deben considerarse los siguientes puntos:

a) Al valorar los empujes debe tenerse en cuenta la estabilidad en el tiempo de los materiales existentes en el trasdós. En este sentido, los materiales deficientemente compactados o los ciclos de humedad-sequedad debidos a un sistema de drenaje inadecuado, pueden provocar una evolución en el tiempo del estado tensional y unas deformaciones diferidas que probablemente no puedan ser seguidas por el elemento de contención, lo que daría lugar a empujes superiores a los correspondientes al estado activo.

b) En la Figura 2.5 se recoge un esquema de relación entre empuje del terreno y los movimientos necesarios para su desarrollo. Es importante resaltar los importantes movimientos necesarios para que se desarrolle el empuje pasivo.

Figura 2.5 Relación entre Empuje del Terreno y los Movimientos necesarios para su desarrollo.

c) En la tabla 2.2 se recoge una estimación de los valores de rotación de la pantalla necesarios para desarrollar las condiciones de rotura para distintos tipos de terreno:

d) El valor considerado para el empuje de tierras en el análisis de estados límite últimos será, en general, diferente al valor a considerar en el análisis de estados límite de servicio en los que no se considera la rotura del terreno.

e) La construcción de elementos de contención en las proximidades de edificaciones requiere limitar los movimientos asociados a éstos. Al limitar los movimientos horizontales de los elementos de contención, debe considerarse un incremento en los empujes del terreno debido a que no se permite que éste desarrolle completamente su capacidad resistente.

f) Se evitará el empleo de suelos arcillosos o limosos en el relleno de trasdós de elementos de contención. En caso de que sea necesario su empleo, debe considerarse en el cálculo un coeficiente de empuje no inferior a 1.

g) La compactación del material del trasdós del elemento de contención debe hacerse con precaución, empleando medios ligeros. Una compactación intensa del terreno existente en la cuña activa podría provocar un incremento sustancial del empuje.

Cuando se empleen equipos ligeros para obtener densidades de hasta el 95% de la máxima Proctor Normal, pueden emplearse los criterios definidos en este capítulo para la determinación de los empujes. Cuando se empleen equipos pesados o se consideren densidades de compactación superiores al 95% de la máxima Proctor Normal, el cálculo del elemento de contención debe efectuarse empleando un empuje no inferior al empuje al reposo.

h) Si el terreno a contener se encuentra confinado entre dos elementos sensiblemente paralelos, el empuje de cada elemento podrá reducirse considerado el efecto silo a partir del rozamiento paramento-material de relleno y la geometría y rigidez lateral de los elementos de contención.

i) En elementos de contención en los que el relleno de trasdós se efectúa con los forjados ya construidos, los movimientos pueden ser tan pequeños que no permitan alcanzar las condiciones de empuje activo. En esas condiciones puede considerarse la distribución de empujes correspondiente al empuje al reposo o bien considerar la distribución de empujes definida para estructuras de contención apuntaladas en la Figura 2.6.

j) En caso de considerar la cohesión en los cálculos de empujes sobre los elementos de contención, su valor característico debe definirse de forma específica para este tipo de estudio, considerando la dispersión y fiabilidad de la información disponible, su estabilidad en el tiempo, la posible presencia de fisuras en el terreno y la sensibilidad del estudio a dicho valor.

k) Para obras de carácter permanente el comportamiento a largo plazo de los elementos de contención debe estudiarse en tensiones efectivas. Para obras de carácter provisional en suelos arcillosos, el cálculo puede hacerse a partir de la resistencia al corte no drenada.

l) Para la valoración de empujes estabilizadores en el intradós del elemento de contención, es importante garantizar la permanencia y estabilidad en el tiempo de los materiales considerados, así como el movimiento necesario para desarrollar el estado tensional previsto. En este sentido debe preverse la posibilidad de la ejecución de excavaciones futuras junto al pie del elemento de contención para el tendido de servicios o futuros vaciados.

m) Igualmente, deben considerarse los importantes movimientos necesarios para el desarrollo del empuje pasivo, en general incompatibles con las condiciones de seguridad y funcionalidad del elemento de contención.

En el análisis de estados límite últimos por métodos de equilibrio límite se considerarán los siguientes criterios:

a) Se considerará el empuje activo en el trasdós salvo para aquellos casos en los que, debido a la rigidez del elemento de contención, las restricciones impuestas a su deformación (anclajes, apuntalamientos, forjados u otros), o por el proceso de puesta en obra del relleno o sensibilidad a las deformaciones de edificaciones o servicios situados en las proximidades de la coronación del elemento de contención, no se puedan producir los movimientos mínimos necesarios para movilizarlo.

b) Si existen cimentaciones de edificios  o servicios sensibles a los movimientos, situados a poca profundidad, a una distancia de la coronación del elemento de contención inferior a la mitad de su altura, se considerará el empuje en reposo, K0 en el dimensionado del elemento de contención por procedimientos de equilibrio límite. Si la distancia está comprendida entre la mitad de la altura y la altura del elemento de contención, debe considerarse al menos un coeficiente  K=(K0 + KA)/2. Estos valores podrán modificarse si se efectúa un estudio de detalle para el cálculo de los movimientos.

c) En cualquier caso, la presión de tierras considerada sobre el elemento de contención no será inferior a 0,25 veces la tensión efectiva vertical.

d) El empuje pasivo estará afectado por un coeficiente de seguridad γE no superior a 0,6.

e) Para el cálculo de elementos de contención apuntalados en arena por métodos de equilibrio límite, se utilizará el diagrama rectangular semiempírico de la Figura 2.6a. A estos empujes deben añadirse los debidos a las presiones intersticiales.

Para profundidades superiores a 12 m debe comprobarse que dicho diagrama es aplicable.

Figura 2.6 Diagramas de envolventes de empujes aparentes para elementos de contención apuntalados.

f) Para elementos de contención apuntalados en arcillas saturadas blandas a medias (resistencia al corte no drenado inferior a 0,05 MPa) por métodos de equilibrio límite, se utilizará el diagrama de la Figura 2.6b. Este diagrama corresponde a tensiones totales, pero debe comprobarse que en ningún punto la tensión total sea inferior a la presión intersticial. Si bajo el fondo de la excavación existe un espesor importante de arcillas de consistencia blanda a media puede considerarse m = 0,4. Si existe una capa más resistente en el entorno del fondo de la excavación, puede utilizarse m=1 0.

g) Para elementos de contención apuntalados en arcillas fisuradas firmes a duras (resistencia al corte nodrenado superior a 0,05 MPa) por métodos de equilibrio límite, se utilizará el diagrama rectangular de la Figura 2.6c. En condiciones normales se considerarán valores de n comprendidos entre 0,2 y 0,4 en función
del tipo de arcilla, su grado de fracturación o fisuración, la posible evolución de su resistencia con el tiempo, la rigidez de los elementos de arriostramiento y el periodo de tiempo previsto para la entibación. Los empujes están definidos en relación con la tensión vertical total, σ(Z=H), pero el método no está planteado en tensiones totales. Si existe el riesgo de que las fisuras de la arcilla estén rellenas de agua, debe considerarse adicionalmente el empuje del agua intersticial.

Los análisis de estados límite que consideren la interacción terreno-estructura se efectuarán, salvo justificación en contra, considerando el empuje al reposo en la situación inicial, previa al comienzo de la excavación.

Siempre que sea posible debe evitarse el empleo de rellenos cohesivos en el trasdós de elementos de contención.

En relación con las acciones sísmicas se tendrán en cuenta la Norma de Construcción Sismorresistente NCSE vigente, de acuerdo con la sismicidad de cada zona.