Análisis de la Excavación y del Sistema de Bombeo Desarrollo Culturas 33

Análisis de la Excavación sin soporte

Estados límite de Falla

Análisis de estabilidad de taludes. Consideraciones generales:Se tomó en cuenta la influencia de las condiciones de presión de agua en el subsuelo. El nivel freático se localiza actualmente a una profundidad de 3.2 m desde la superficie, puesto que se abatirá este nivel de agua no habrá agua en las paredes de la excavación.La profundidad de excavación máxima es de 6.3 metros.La inclinación de los taludes es de 90° grados.No se detectó la presencia de grietas y otras discontinuidades.Se incluyó la presencia de sobrecargas en la orilla de la excavación iguales 1.5 ton/m2.

Para el análisis de estabilidad de taludes se realizaron modelos numéricos en elementos finitos en 2 dimensiones simulando un comportamiento en deformación plana.

Se tomó en cuenta que la cohesión de los materiales arcillosos tiende a disminuir con el tiempo, en una proporción que puede alcanzar 30 por ciento en un plazo de un mes. Para esto se realizaron análisis considerando la disminución de la resistencia del suelo con el tiempo.

Calculo de la profundidad de abatimiento del nivel de aguas freáticas.

Si no se alteran las presiones efectivas iniciales por efecto de la descarga del suelo no se generan expansiones diferidas (a largo plazo), con el objetivo de evitar expansiones a largo plazo se debe abatir el nivel freático a una profundidad tal que lo anteriormente mencionado no se presente

La profundidad del abatimiento del nivel freático ha, necesaria para anular la expansión volumétrica lenta (expansión diferida a largo plazo) del fondo de la excavación:

ha=γ nDfγw

…. (Tamez, 2001)

donde

Df Nivel máximo de excavación, en metrosγ n Peso volumétrico del suelo, en ton/m3

γw Peso volumétrico del agua, en ton/m3.

Suponiendo como nivel máximo de excavación una profundidad de 6.3 metros y un peso volumétrico ponderado de 1.41 ton/m3; γ nDf = 8.92 ton/m2

ha=8.92ton /m2

1 ton /m3= 8.92 m

Considerando que el N.A.F. se encuentra en la cota -3.20 m entonces el bombeo de achique deberá de bajar este nivel hasta la cota -12.12 m.

Si el fondo de la excavación se localiza en la cota -6.3 m entonces la profundidad de abatimiento respecto al fondo será de 5.82 metros.

Veamos que dicen ahora los modelos numéricos si es verdad que si se abate el naf hasta 12.12 metros respecto del nivel de terreno natural no se presentaran expansiones diferidas a largo plazo.

Análisis de corte A-A

La profundidad de la grieta de tensión tiene una longitud de:

Mecanismos de extrusión de estratos blandos confinados por capas más resistentes.

Se prestará especial atención a la estabilidad a largo plazo de excavación o cortes permanentes que se realicen en el predio de interés, especialmente en la zona I.

Se tomarán las precauciones necesarias para que estos cortes no limiten las posibilidades de construcción en los predios vecinos, no se presenten peligro de falla local o general ni puedan sufrir alteraciones en su geometría por intemperización y erosión, que puedan afectar a la propia construcción, a las construcciones vecinas o las servicios públicos.

Falla por subpresión

El espesor mínimo hi del estrato impermeable que debe de tenerse para evitar inestabilidad de fondo se considerará igual a:

hi>( γwγm )hwDonde

hw es la altura piezométrica en el lecho inferior de la capa impermeable;γw es el peso volumétrico del agua; yγm es el peso volumétrico total del suelo entre el fondo de la excavación y el estrato impermeable.

Cuando el espesor hi resulte insuficiente para asegurar la estabilidad con un amplio margen de seguridad, será necesario reducir la carga hidráulica del estrato permeable por medio de bombeo.

Estados límites de servicio

Expansiones Instantáneas y Diferidas por descargaPara estimar la magnitud de los movimientos verticales inmediatos por descarga en el área de excavación y en los alrededores, se recurrirá a la teoría de la elasticidad.

Los movimientos diferidos se estimaran a partir de los decrementos de esfuerzo vertical calculados aplicando también la teoría de la elasticidad.

Para reducir los movimientos inmediatos, la excavación y la construcción de la cimentación se podrán realizar por partes. Al efectuar la excavación por partes, para limitar las expansiones del fondo a valores compatibles con el comportamiento de la propia estructura o de edificios e instalaciones colindantes, se adoptara una secuencia simétrica. Para reducir la magnitud de las expansiones instantáneas será aceptable, asimismo, recurrir a pilotes de fricción hincados previamente a la excavación y capaces de absorber los esfuerzos de tensión inducidos por el terreno.

Técnicas de estabilización

Protección de los cortes

Procedimiento constructivo

Propuesta de Sistema de Bombeo para la excavación.

La construcción de los sótanos para alojar los cuartos de máquinas y/o las cisternas para en caso de carencia de agua potable incluye excavaciones bajo el nivel de aguas freáticas; estas excavaciones requieren el abatimiento de ese nivel por debajo del de desplante para prevenir los siguientes estados límites de falla y de servicio:

La erosión o la falla de los taludes Aliviar la presión de poro en exceso a la hidrostática en estratos permeables y evitar la

falla de fondo por supresión. Para disminuir las expansiones elásticas y diferidas del fondo de la excavación, que se

presentaran por descarga del suelo durante la excavación.

Además para asegurar condiciones de trabajo en seco, que permitan mayor eficiencia y rapidez durante la construcción.

El agua del suelo debe de manejarse por medio de un sistema de bombeo adecuado al tamaño y profundidad de la excavación, a las condiciones geológicas del sitio y a secuencia estratigráfica de cada lugar.

En este capítulo se describen los procedimientos realizados para determinar el sistema de bombeo adecuado y su diseño.

Al requerirse una excavación a mayor profundidad que la del nivel freático, en general es conveniente realizar bombeo para mantener el área de trabajo sin humedad del subsuelo las 24 horas del día, lo que permite mejorar condiciones en la obra y ejecutarla con mayor rapidez y mejor calidad.

Al estimar el gasto que debía extraerse, se propuso utilizar bombeo de tipo eyector que se adapta particularmente bien al bombeo en arcillas de la ciudad de México, misma que cumplen con la condición necesaria de que existan intercaladas en la arcilla capas delgadas de suelos con mayor permeabilidad (limos gruesos y arenas). Además la baja eficiencia operativa de este sistema no repercute notoriamente en el aspecto económico por el poco caudal que debe manejarse.

Diseño de sistema de bombeo

*Exploración de verificación.

“Estratigrafía del lugar”

*Profundidad de abatimiento. Para determinar la profundidad de abatimiento adecuada, se utilizó la siguiente expresión (Tamez, 2001):

ha=γ nDfγw

donde

Df Nivel máximo de excavación, en metrosγ n Peso volumétrico del suelo, en ton/m3

γw Peso volumétrico del agua, en ton/m3.

Suponiendo como nivel máximo de excavación una profundidad de 6.3 metros y un peso volumétrico ponderado de 1.41 ton/m3; γ nDf = 8.92 ton/m2

ha=8.92ton /m2

1 ton /m3= 8.92 m

Así resulta ha = 8.92 m, que representa el abatimiento requerido para que la presión efectiva al nivel de desplante sea la misma o ligeramente mayor que la presión efectiva inicial, reduciéndose considerablemente la expansión debida a la descarga por excavación.

Considerando que el N.A.F. se encuentra en la cota -3.20 m entonces el bombeo de achique deberá de bajar este nivel hasta la cota -12.12 m.

Si el fondo de la excavación se localiza en la cota -6.3 m entonces la profundidad de abatimiento respecto al fondo será de 5.82 metros

Permeabilidad del medio

Calculo del gasto

Criterios de selección del sistema de bombeo

Profundidad de los pozos de bombeo.

De acuerdo al perfil estratigráfico (figura N), bajo esa profundidad No o Si existe una capa inmediata de arena en la que se pudiera o no se pudiera presentar supresión capaz de provocar una falla, en cuyo caso se podría requerir mayor profundidad de abatimiento.

*Ubicación de los pozos en el área de excavación. En la figura N se muestran las etapas de excavación para la construcción del cajón de cimentación, mismas que se consideraron para determinar la ubicación de los pozos de bombeo. El espaciamiento de los pozos se basó en las recomendaciones del manual de construcción geotécnica Tomo II (2002), el cual sugiere que colocando un pozo de bombeo por cada 50 m2 de área, se provoca el abatimiento del nivel freático en un tiempo razonable, para fines de tener un valor de referencia, se programó una red de bombeo con separaciones del orden de 7.0 x 7.0 m.

Instalación de los pozos de bombeo

Perforación. Las perforaciones de 25 cm de diámetro, para los pozos de bombeo se llevaran acabo con maquina rotatoria, equipada con una broca de aletas, inyectando agua como fluido de perforación; esta técnica permite minimizar el remoldeo en las paredes del pozo. Una vez alcanzada la profundidad especificada, se lavará el pozo hasta comprobar que el agua de retorno salga limpia (libre de lodo o arena).

Instalación de bombas eyectoras. En la perforación terminada y lavada se colocará el ademe ranurado, formado por un tubo de PVC de 10 cm de diámetro interior, con ranuras de 1mm espaciadas 10 mm entre sí; el tubo se ranurará únicamente en sus 6 m inferiores. El espacio entre el ademe y la pared del pozo se rellenará con gravilla de tamaños variables entre 5 y 10 mm de toda la longitud del pozo. Dentro del ademe se instalaran las bombas de eyector a una elevación de 0.5 m sobre el fondo de la perforación, sobre una cama de material filtrante; los tubos de inyección y de salida serán de 13 y de 19 mm de diámetro respectivamente.

Por cada 10 pozos eyectores aproximadamente, se instalará en la superficie una bomba centrifuga con motor eléctrico de 10 HP con líneas alimentadoras y de descarga de 3 pulg de diámetro, utilizando piezas de unión del mismo material con rosca, para conectar a la bomba y a los tanques.

Sistema de control del bombeo. Para lograr un funcionamiento adecuado del sistema de bombeo se verificara que la diferencia de presión entre las entradas y el retorno del eyector más lejano en una línea de alimentación, resulte menor de 4 kg/cm2 como mínimo; esta verificación se efectuara por medio de manómetros y servirá para definir el número de eyectores que es capaz de operar realmente la bomba centrifuga propuesta.

Respecto de la energía eléctrica se contara con acometida normal del sistema municipal y con un generador de emergencia.

En cada etapa de construcción el bombeo se mantendrá hasta que

Instrumentación

Para llevar un control de los abatimientos logrados con el bombeo durante las diferentes etapas de excavación y construcción de la cimentación, se instalaran tubos de observación del nivel del

agua, piezómetros abiertos en los estratos permeables y piezómetros neumáticos en estratos arcillosos.

Para medir las expansiones producidas por la excavación