INGENIERÍA GEOTÉCNICA Y MECÁNICA DE ROCAS
Especialízate en una de las ramas más demandadas de la ingeniería. Este diploma en Ingeniería Geotécnica y Mecánica de Rocas te brinda las herramientas para diseñar cimentaciones seguras, aplicar tecnologías geotécnicas avanzadas y enfrentar desafíos en suelos y macizos rocosos. Aprende con software especializado y casos reales. ¡Impulsa tu carrera con conocimiento técnico de alto nivel!
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Estudios Geotécnicos en Proyectos de Ingeniería
1. Importancia de los estudios geotécnicos
• Fundamentales para el diseño de cimentaciones y estabilidad de estructuras.
• Aplicables en minería, túneles, infraestructura vial y edificaciones.
2. Tipos de estudios geotécnicos
• Investigación directa: calicatas, perforaciones, ensayos in situ.
• Investigación indirecta: geofísica, geotecnia sísmica.
• Geotecnia numérica: métodos como elementos finitos y diferencias finitas.
• Instrumentación y monitoreo: seguimiento en tiempo real de comportamiento del terreno.
3. Normativa aplicable
• RNE – Norma E.050: guía para el diseño de cimentaciones según las características del suelo.
4. Tipos de cimentaciones
• Superficiales: cuando el terreno presenta buena capacidad portante.
• Profundas: pilotes o pantallas, en suelos con baja resistencia o por requerimientos hidráulicos.
• Mixtas: combinación de ambas según condiciones del proyecto.
5. Casos de aplicación
• Infraestructura vial: puentes con estribos y pilas expuestos a socavación.
• Túneles y estaciones de metro: métodos de construcción como cut and cover, NATM y TBM.
• Minería: análisis de estabilidad de taludes y sedimentación.
• Edificaciones: determinación de zonas críticas como cisternas, ascensores y columnas cargadas.
6. Colaboración multidisciplinaria
• Articulación con estudios hidráulicos, estructurales y arquitectónicos para el diseño óptimo de proyectos.
Ensayos para pilotes de gran diámetro
1. Contexto
• Pilotes utilizados en zonas con presencia de suelos blandos o con ocupación profunda (6-8 m o más).
• Requieren alta capacidad de carga por punta y por fuste.
• Diámetros mayores a 1.50 m.
2. Ensayos en obra
a. PIT (Pile Integrity Test)
• Golpe con martillo en la cabeza del pilote.
• Se genera una onda de compresión.
• Permite estimar longitud, continuidad y posibles cambios en el diámetro del pilote.
b. PDA (Pile Driving Analyzer)
• Se deja caer una masa en caída libre sobre el pilote.
• Evalúa capacidad de carga por punta y por fuste.
• Se compara con resultados del diseño geotécnico.
• Masa representa el 1–2% de la capacidad del pilote.
3. Importancia
• Verificación de resultados teóricos mediante curvas de tensión-deformación.
• Permite validar la eficiencia y desempeño estructural del pilote instalado.
4. Aplicación práctica
• Se visualiza un video demostrativo del ensayo PDA.
• Posteriormente, se realizarán ejemplos aplicativos en clase.
Introducción al software geotécnico:
• El curso comienza con una introducción a un software geotécnico, con ejemplos prácticos para mostrar las aplicaciones en ingeniería.
• Se muestra cómo asignar parámetros a distintos elementos como gaviones, suelos y taludes, modificando dimensiones como el ancho, la altura y la profundidad.
Parámetros del modelo geotécnico:
• Se destacan parámetros clave como el ángulo de fricción, cohesión y peso específico del suelo. Estos son fundamentales para el modelado geotécnico.
• A medida que se incorporan más parámetros, como los resultados de ensayos triaxiales, la precisión de los modelos mejora.
Carga y sobrecarga:
• Se explica cómo asignar cargas en el modelo, incluida la carga superficial. También se abordan las sobrecargas generadas por estructuras como gaviones o muros.
Aplicaciones y software:
• Se menciona que el software tiene diversas versiones, incluidas licencias académicas y de prueba, adaptándose a distintas necesidades.
• Además, se discute el uso de correlaciones en el software para obtener resultados más precisos.
Cálculo de Carga y Factores:
• Se asigna una carga de 10 kW/m² como estimación inicial.
• Se considera el empuje pasivo, ajustando por posibles erosiones o inundaciones.
• Se evalúan las normativas y factores de seguridad, con énfasis en no ser excesivamente conservador.
Verificación de Resultados:
• Se verifica el modelo con tres cajas y se calcula la carga distribuida de 10 kN/m², asociada al empuje.
• El momento resistente producido por el peso del avión se evalúa en relación con las fuerzas de empuje activo.
Chequeos de Estabilidad:
• Se verifica la estabilidad mediante el momento resistente y el chequeo de volteo.
• Se calcula la fuerza de deslizamiento y se realiza un análisis de estabilidad de taludes.
• En caso de que no cumpla, se sugieren ajustes en la geometría o características del suelo.
Uso de Métodos de Análisis:
• Se emplea el método de Bishop (estándar y optimizado) para análisis de estabilidad.
• Se concluye que los resultados son aceptables para el diseño y análisis realizado.
Adaptación a Casos Particulares:
• Se proponen adaptaciones y ejemplos personalizados para los participantes, incluyendo el uso de anclajes y evaluación de condiciones específicas como presencia de agua.
Gaviones y su Aplicación en Infraestructura Vial y Proyectos Hidráulicos:
1. Uso de Gaviones:
o Los gaviones se utilizan principalmente en proyectos de infraestructura vial y protección de márgenes fluviales.
o Su presencia y necesidad dependen de un estudio hidráulico y simulación de inundaciones, que determina las áreas vulnerables y de mayor riesgo.
2. Función de los Gaviones:
o Se emplean para estabilizar y proteger las márgenes de los ríos, previniendo la erosión y ganando terreno en áreas afectadas por sedimentos y erosiones.
o También se aplican en accesos de carreteras y puentes, tanto para protección de taludes como para drenaje de aguas.
3. Tipos y Materiales:
o Los gaviones pueden estar hechos de mallas metálicas y rellenos con piedras, a menudo reforzadas con geosintéticos para impermeabilización y drenaje.
o Se emplean tanto en estructuras para proteger las márgenes fluviales como en accesos viales.
4. Investigación y Ensayos:
o Se realizan ensayos experimentales y pruebas numéricas para medir la capacidad portante y la estabilidad de las estructuras de gaviones, dependiendo del tipo de piedra (achatada vs esférica).
o Se analizan también las respuestas dinámicas de los gaviones frente a ondas sísmicas mediante el uso de mesa vibradora y simulaciones.
5. Software de Diseño:
o Existen varios software especializados (como Macaferri) que ayudan en el diseño y análisis de estructuras de gaviones, permitiendo realizar estudios geotécnicos y de ingeniería, ajustando los parámetros de cohesión, fricción y otros factores relevantes.
6. Recomendaciones y Aplicaciones:
o Para obtener resultados más precisos en el diseño de gaviones y estructuras relacionadas, se recomienda usar software de diseño especializado y realizar ensayos de laboratorio.
1. Objetivo de la clase:
o Explicar el diseño y cálculo de un muro de gavión con gradería externa.
o Usar herramientas como hojas de cálculo y software geotécnicos para el análisis.
2. Contenido:
o Datos de ingreso: Cálculo de dimensiones geométricas y determinación del centro de gravedad de las capas del muro.
o Cálculos: Realización de cálculos de empuje activo, estabilidad del muro, deslizamiento y volteo.
o Materiales y drenaje: Uso de materiales ingenieriles, geotextiles y drenaje para evitar problemas a largo plazo.
3. Métodos de trabajo:
o Se mostró un ejemplo práctico con software geotécnico.
o Se utilizaron fórmulas manuales para comparar y validar los resultados obtenidos.
o Verificación de seguridad en base a diferentes variables como el tipo de suelo y la carga aplicada.
4. Consideraciones adicionales:
o En casos de taludes más complejos, se recomienda usar soluciones sofisticadas.
o Recomendaciones de utilizar materiales adecuados y realizar análisis de estabilidad de taludes.
o Posibilidad de aplicar estas soluciones con otros software y con diferentes tipos de materiales, ajustando según las condiciones del terreno.
5. Próximas clases:
o Continuación del tema con más ejemplos y casos prácticos para asegurar una mejor comprensión de los métodos de diseño y verificación.
Cimentaciones Superficiales
1. Tipos de cimentaciones superficiales
• Zapatas
• Muros
• Caísones: utilizados cuando el suelo presenta capas licuables a poca profundidad.
2. Métodos para determinar la capacidad portante
• Terzaghi:
o Método conservador.
o Adecuado para suelos cohesivos.
o No considera con precisión la forma ni la profundidad.
• Meyerhof:
o Considera factores de forma, profundidad e inclinación.
o Ofrece resultados más precisos.
o Puede arrojar hasta un 17% más de capacidad portante en comparación con Terzaghi.
3. Cálculo de asentamientos
• Tipos: asentamiento inmediato y diferencial.
• Se utilizan datos como el módulo de elasticidad y la presión neta.
• Ejemplo analizado: asentamiento estimado de 12 mm, considerado aceptable por normativa.
4. Estudio de casos reales
• Proyecto puente Carrasquillo en Piura: uso de cimentación superficial escalonada.
• Se analizaron propiedades del suelo y carga aplicada mediante métodos mencionados.
5. Herramientas utilizadas
• Programas: Geo 5, SAP2000, hojas de cálculo.
• Permiten realizar simulaciones y cálculos precisos de capacidad portante y asentamientos.
6. Conclusiones
• Meyerhof resulta más preciso y adecuado para cimentaciones con mayor relación entre profundidad y ancho.
• Terzaghi se recomienda para diseños rápidos y conservadores.
• Ambos métodos son útiles dependiendo del tipo de suelo y condiciones del proyecto.
Ensayos de Campo y Presión en Cimentaciones Superficiales
1. Ensayos de campo geotécnicos
• DPL (Dynamic Probing Light):
o Usado en proyectos pequeños o viviendas.
o Rápido pero menos confiable.
o Se registran los golpes por profundidad.
• SPT (Standard Penetration Test):
o Más detallado y confiable.
o Requiere corrección por energía.
o Existen versiones con equipos eléctricos que mejoran la precisión.
• CPT (Cone Penetration Test):
o Mayor confiabilidad y continuidad de datos.
o Permite calcular fricción, cohesión, ángulo de fricción y capacidad portante.
2. Capacidad portante
• Aplicación de fórmulas de Terzaghi y Meyerhof usando datos de ensayos.
• Se compara la precisión y resultados obtenidos de cada método.
3. Análisis de presiones verticales en el suelo
• Método de Newmark:
o Evalúa distribución de presiones verticales bajo cimentaciones.
o Verifica que no se supere la capacidad portante del suelo.
• Se usa una hoja de cálculo (Excel) para análisis:
o Permite calcular presiones en el centro y esquinas de la cimentación.
o Se utilizan factores de influencia (m y n) según tablas.
4. Conclusiones
• Ensayos como el CPT y SPT son más confiables que el DPL.
• Newmark es una herramienta útil para verificar la seguridad del suelo.
• El uso de hojas de cálculo agiliza la interpretación y análisis de datos geotécnicos.
Modelado de Cimentación Superficial en SAP2000
1. Tipo de cimentación modelada
• Zapata superficial (cuadrada o rectangular), tipo pedestal.
• Usada para soportar estructuras como columnas metálicas con placa base.
2. Etapas del modelado
• Creación de geometría básica mediante puntos y líneas.
• Uso de elementos tipo Shell para representar la losa base.
• Conversión del Shell a elemento sólido (3D) usando la herramienta Extrude Area to Solid.
• Definición del material y sección sólida correspondiente (ej. “Pedestal”).
3. Malla y discretización
• Se discretiza en mallas pequeñas (ej. 5x5 cm).
• Ejemplo: 11 divisiones → 12 nudos; 16 divisiones → 17 nudos.
4. Asignación de cargas
• Cargas verticales y momentos asignados en la parte superior del pedestal.
• Simulación del brazo de palanca con pares de cargas opuestas.
• Cargas asignadas por nudo, según resultados estructurales esperados.
5. Verificaciones
• Análisis de presión, asentamiento, deslizamiento y volteo.
• Comparación de resultados según discretización y tipo de carga.
6. Soporte adicional
• Se facilita un manual paso a paso para guiar el modelado completo en SAP2000.
Verificación de Zapata con Momentos en SAP2000
1. Contexto del Modelo
• Se modeló una zapata tipo pedestal con elementos sólidos (Shell extruido a sólido).
• Se definieron materiales, dimensiones y discretización (ej. malla de 5 cm x 5 cm).
• La zapata recibe cargas axiales y momentos en ambas direcciones (Mx y My).
2. Asignación de Cargas
• Se calculan momentos obtenidos de un análisis estructural previo.
• Los momentos se simulan como pares de cargas verticales (tensión y compresión) distribuidas por nudos.
• Las cargas se asignan según la cantidad de nudos disponibles en el eje correspondiente.
3. Condiciones de Apoyo
• Se utiliza el método de "Área Spring" para representar el contacto suelo-estructura.
• Se considera el módulo de reacción del suelo para definir la rigidez del resorte.
4. Resultados Obtenidos
• Asentamiento vertical (UZ): Máximo registrado en torno a 0.0238 cm, dentro de los límites admisibles.
• Presión bajo la zapata: Valor obtenido ~1.5 kg/cm², menor que la capacidad admisible del suelo.
• Análisis no lineal: Se aplicaron cargas en múltiples pasos para simular el comportamiento progresivo.
5. Verificaciones realizadas
• Asentamiento total y diferencial.
• Presiones transmitidas al suelo.
• Momento flector en ambas direcciones (M1, M2) y generación de cortes.
6. Apoyo complementario
• Se compartió un archivo Excel con los cálculos de distribución de cargas para momentos en zapata.
• También se facilitó un tutorial paso a paso para el modelado en SAP2000.
Geotécnico: Análisis de Zapatas y Muros en SAP2000
1. Modelamiento de Zapata (Caso Inicial)
• Se modeló una zapata con pedestal utilizando elementos tipo sólido en SAP2000.
• El modelo se discretizó en mallas de 5 cm x 5 cm.
• Se aplicaron momentos mediante cargas distribuidas en nudos para simular brazo de palanca.
• Se utilizó la opción "Área Spring" para representar la interacción suelo-estructura.
• Resultados:
o Asentamiento máximo aproximado: 0.0238 cm.
o Presión de contacto: 1.5 kg/cm² (menor que la presión admisible).
o Se verificaron condiciones de estabilidad: volteo, deslizamiento y capacidad de carga.
2. Análisis de Muro de Contención
• Se modeló un muro con talud y diferentes sobrecargas (vehicular y peatonal).
• Se asignaron propiedades mecánicas al concreto y acero:
o f'c = 280 kg/cm², fy = 4200 kg/cm².
• Se representaron capas de suelo con propiedades distintas.
• Se modelaron cargas por eje de camión (HL-93) y distribuidas por veredas y calzadas.
• Verificación del refuerzo mediante malla de acero:
o Se ajustaron diámetros y espaciamientos para cumplir con los esfuerzos solicitantes.
o Algunos elementos requerían incremento de área o recubrimiento.
• Tensiones obtenidas en el muro ≈ 1.3 kg/cm², por debajo del límite admisible (4 kg/cm²).
• Se recomendó revisar condiciones de estabilidad global del muro y mejoras geométricas.
Análisis de Muros y Anclajes
1. Análisis de Muros Anclados
• Geometría y Diseño: Se plantean medidas de anclaje en muros de edificaciones, como los sótanos. Se considera un ángulo de 45 grados para los anclajes y una longitud de 2 m (l_k) para superar la superficie de falla.
• Anclajes: Se exploran dos tipos de anclajes:
o Cables.
o Barras de alta resistencia (f' = 4200 kg/cm²), más robustas que las convencionales.
o Estas barras se utilizan tanto en tracción como en compresión, aplicándose transversalmente en muros y columnas, especialmente en secciones huecas.
2. Ajustes y Cálculos
• Se ajustaron las longitudes y fuerzas en las simulaciones, con una carga de 3T (toneladas). En algunos casos, se incrementó la longitud del anclaje a 6 m para verificar su eficacia.
• Métodos de Optimización: Se utilizó Excel para realizar optimizaciones y cálculos de anclajes, ajustando la disposición de las cargas y verificando la capacidad de los anclajes para evitar fallas.
3. Experiencia Práctica en Excavaciones
• Muros de Sótano: En proyectos de muros anclados, especialmente en sótanos, se utilizan pilas de agregado para mejorar la estabilidad, con perforaciones y inyecciones de material.
• Problemas Constructivos: Se mencionan dificultades en excavaciones manuales y la necesidad de maquinaria para optimizar tiempos de construcción.
• Cimentación Perimetral: Se describen las cimentaciones perimetrales y la optimización de los módulos para mejorar la capacidad de carga.
4. Licuación de Suelos y Cimentación Profunda
• Se discutió la licuación de suelos, especialmente en zonas costeras y del norte del Perú. Este fenómeno puede generar un aumento súbito en la presión de los poros del suelo, afectando la estabilidad de las estructuras.
• Cimentación Profunda: Se abordó el uso de pilotes excavados, frente a pilotes hincados, y las bondades de cada tipo para resistir licuación y sismos.
Diseño de Pilotes – Cimentaciones Profundas
1. Introducción
• La clase aborda aspectos teóricos y prácticos sobre diseño de cimentaciones profundas.
• Se revisarán tipos de pilotes, métodos de carga axial y lateral, normativas, casos de estudio, y uso de software técnico.
2. Tipos de Pilotes
• Prefabricados Hincados: Limitados en suelos con grava.
• Perforados Llenados in Situ: Útiles en suelos con presencia de grava.
• Micropilotes: Pilotes de pequeño diámetro, adecuados para espacios reducidos.
3. Cálculo de la Capacidad de Carga
• Resistencia por Punta: Depende del área de la punta y resistencia unitaria.
• Resistencia por Fuste: Depende del área lateral y fricción unitaria a lo largo del pilote.
4. Formas de Falla
• Pilotes individuales en suelo granular y cohesivo:
o Teorías de Prandtl, Terzaghi, Meyerhof, entre otros.
o Conceptos como expansión de cavidades y flujo plástico.
• Grupos de Pilotes:
o Interacción entre pilotes.
o Fallas progresivas o de bloque.
5. Métodos Avanzados
• Aplicación de modelos numéricos (FEM, DEM) para simular mecanismos de falla complejos con software como PLAXIS y Abaqus.
Análisis de Cimentaciones de Pilotes
1. Evaluación de la Capacidad de Carga
• Se realiza mediante método analítico usando una ecuación básica:
o Aₚ: Área de la sección en la punta.
o qₚ: Capacidad portante en la punta.
o fₛ: Resistencia unitaria por fricción.
o c_d: Perímetro efectivo del pilote.
o L: Longitud en contacto con el suelo.
o z: Profundidad.
• La resistencia puede calcularse en base a esfuerzos totales o efectivos.
• Programas usados: SPINE, FHWA, SPT97, Group, AllPile, TZPile.
2. Cálculo de Asentamientos
• Predicción compleja por perturbaciones del suelo y posición de transferencia de carga.
• Métodos utilizados:
o Semiempíricos
o Empíricos
o Ensayos de carga (antes y después del pilotaje)
2.1 Método Semiempírico
• El asentamiento total es la suma de:
o Deformación axial del fuste (3.92 mm).
o Asentamiento por punta (4.80 mm).
o Asentamiento por fricción en el fuste (0.21 mm).
• Resultado final: 8.93 mm.
2.2 Método Empírico
• Basado en fórmulas tipo BASIC 1970.
• Considera diámetro, área transversal, módulo de elasticidad, carga y longitud del pilote.
• Ejemplo:
o Carga axial de 35T, longitud de 24m.
o Asentamiento calculado: 4.89 mm.
Uso de Software para Análisis de Pilotes
1. Software Utilizados
• Principales programas: RCP, AllPile, EPil, GEO5 (versión demo).
• Se proporcionará:
o Instaladores demo.
o Manuales y recursos complementarios en el aula virtual.
o Observación de limitaciones de las versiones demo.
2. Procedimiento Básico en el Software• Apertura del software y carga de archivo base.
• Configuración inicial:
o Definición del proyecto y nombre del pilote ("pilote simple").
o Ingreso de datos básicos como lote y geometría.
• Configuración de normativas:
o Posibilidad de editar normas aplicables.
o Se comenta teoría de Tomlinson para pilotes en suelo cohesivo.
3. Opciones de Diseño
• Selección de tipo de pilote:
o Pilotes perforados.
o Pilotes hincados.
o Pilotes de hélice continua.
• Selección de métodos y parámetros específicos (ej. Paulus, Peyton).
• Confirmación de cambios: actualización automática visible en la ventana inferior izquierda.
Análisis de Pilotes - Configuración de Perfil, Cargas y Resultados
1. Configuración del Perfil
• Se define un perfil con:
o Orden de 15.
o Módulo CAS-H trabajado como constante.
• Propiedades del suelo:
o Selección de suelo color amarillo.
o Parámetros: 0.40, 35, 18.5, 22.
o Asignación de nombre y características adicionales.
2. Definición de Cargas
• Carga 1:
o Valores: 120 y 85.
o Tipo: carga de servicio.
• Carga 2:
o Valores: 80 y 60.
• Se añaden cargas manualmente.
3. Configuración de Geometría
• Geometría del pilote:
o Diámetro: 1.0 m.
o Longitud: 12 m.
o Tipo: pilote excavado.
4. Configuración de Material
• Material por defecto sin modificaciones importantes.
5. Resultados Obtenidos
• Corte, flexión + compresión:
o Refuerzo inicial aceptable.
o Refuerzo configurado: 6 barras con recubrimiento de 4 cm.
o Pruebas con 4, 6 y 10 barras muestran cambios en los resultados.
• Capacidad portante vertical:
o Resultados máximos obtenidos (valores de input: 10, 15).
• Asiento:
o Resultado de 10 mm (debería reducirse idealmente a ~5 mm).
Memoria de Cálculo - Verificación de Capacidad de Pilotes
1. Verificación de Resistencia Lateral (por Fricción en Fuste)
• Método de Beta para suelos no cohesivos:
o Relaciona esfuerzo vertical efectivo con el ángulo de fricción del suelo.
o Fórmula principal: Beta × esfuerzo efectivo vertical.
o Beta: coeficiente de transferencia (valores típicos: 0.2 a 0.5 en arenas).
• Esfuerzo vertical efectivo:
o Evaluado en el punto medio del estrato.
o Considera si el suelo está sobreconsolidado.
• Ángulo de fricción efectiva:
o Cálculo basado en el valor corregido del SPT (N60).
• Esfuerzo de preconsolidación:
o Estima la máxima presión histórica soportada por el suelo.
2. Verificación de Resistencia de Punta
• Método de Brawn (2010) para suelos no cohesivos:
o Depende del número de golpes del SPT corregido (N60).
o Consideraciones especiales si N > 50.
• Pilotes en roca:
o Fórmulas específicas para resistencia lateral y de punta.
o Se consideran condiciones de fracturamiento y anclaje de la roca.
o Evaluación con modelo de Cook y Brown usando el índice GSI.
1. Pilote individual
• Datos:
o Tipo de suelo, profundidad, ensayos de campo.
• Cálculos:
o Suelos no cohesivos: Uso de ecuaciones (3, 5, 2, 1) para hallar ksk_sks y kpk_pkp.
o Arena a 18.5 m: Ecuaciones (4, 6 y 7) para esfuerzos de preconsolidación y parámetros del suelo.
o Pilote en roca: Ecuaciones (11, 10 y 8) para hallar aaa, kspk_{sp}ksp y kssk_{ss}kss.
• Verificación de capacidad de carga:
o Carga última del fuste y de la punta.
o Factores de resistencia: compresión, levantamiento y evento extremo.
• Resultados:
o Capacidad portante adecuada frente a cargas actuantes.
o Si la capacidad es insuficiente, se debe incrementar la longitud del pilote.
2. Grupo de pilotes
• Modelado:
o Configuración de grupo de pilotes para ambas márgenes (izquierda y derecha).
o Castigo de los primeros metros por socavación.
• Análisis:
o Asignación de cargas (20 kN, luego 5 kN).
o Evaluación de resultados conforme al servicio.
• Observaciones:
o Se ajustan parámetros según variaciones en campo.
Muros de Contención, Gaviones y Geotextiles
1. Temas tratados:
• Introducción a muros de contención, gaviones y geotextiles.
• Análisis teórico y práctico con el uso de software especializado.
2. Herramientas utilizadas:
• Software de Macaferri (gratuito previa creación de usuario).
• Plantillas y ejemplos del software para análisis de muros y gaviones.
• Referencia a manuales como el de la UNAM.
3. Contenido práctico:
• Caso de estudio: muro de gaviones de 5 m de altura con bloques de 50 cm.
• Base de 30 cm de profundidad en terreno con geometría regular.
• Análisis de estabilidad: volteo, deslizamiento y presión horizontal.
4. Metodología de diseño:
• Basado en la norma ASTM y metodología LRFD (factores de carga y resistencia).
• Sistema Internacional de Unidades (m, kN).
• Parámetros geotécnicos: peso específico = 22 kN/m³, ángulo de fricción = 30°, cohesión = 0.
5. Producto final:
• Elaboración de un informe entregable con los resultados del análisis y las plantillas del software.
Configuración y Análisis en Software de Muro de Contención
1. Apertura y Configuración Inicial
• Se abre el archivo del proyecto.
• En el menú de Configuración, se selecciona la opción Editar para ajustar parámetros del análisis de muro.
2. Modelos de Análisis
• Se encuentran opciones como Macindrini y Mononobe-Okabe para análisis sísmico.
• Se selecciona el método según el tipo de presión (activa, pasiva, en reposo).
3. Factores de Diseño
• Se configuran factores LRFD:
o Factores de resistencia: vuelco, deslizamiento, capacidad portante, impresión pasiva, malla resistente y conexión.
o Factores de carga: carga muerta, carga viva, sobrecarga en tierra, sísmica, presión de agua y presión de tierra.
4. Reducción de Parámetros
• Se activa opción para reducir parámetros de fricción del suelo en 2/3.
5. Definición de Materiales
• Se define material con resistencia a la tracción (ej. 40), espaciamiento de tabiques y fuerza de conexión.
6. Configuración de Geometría
• Se editan bloques de interfaz:
o Altura y corrimiento ajustados (ej. 0.5 m).
o Se define malla con 10 niveles.
o Se asignan alturas descendentes desde 5 hasta 0.5 m para cada bloque.
7. Verificación Final
• Se compara la geometría generada con la diapositiva de ejemplo para confirmar similitud visual.
Configuración y verificación geotécnica en software de cimentaciones
1. Geometría y parámetros del suelo:
• Se define la geometría del modelo.• Se ingresa un único tipo de suelo con parámetros: peso unitario 21, ángulo de fricción 30°, cohesión 6, etc.• Se asigna por defecto al modelo, pero admite múltiples tipos de suelo.2. Interfaz y profundidad:
• Se configura la interfaz del modelo a 15 m de profundidad.3. Cargas aplicadas:
• Se introduce una sobrecarga de 10 kPa.• Se considera una carga adicional pequeña (valor 1) para efectos de visualización.• Se define la condición de resistencia en reposo.• Altura de carga de 0.30 m desde la superficie.4. Verificación y resultados:
• Se realiza verificación bajo condición de servicio o evento extremo.• Resultados de fuerzas horizontales y normales visualizadas gráficamente.• Se evalúa inclinación de carga y su efecto en la estructura.5. Capacidad portante:
• Se verifica capacidad portante con una carga de diseño de 590 kPa.• Resultado: condición aceptable.• Se revisan:o Tensión máxima en el fondo de la zapata.o Excentricidad máxima y permitida.o Factores de capacidad portante.6. Tablas de resultados:
• Se presentan resultados tabulados con detalles de:o Cargas de diseño y servicio.o Excentricidades.o Tensiones y capacidad del terreno.
Verificación del muro y estabilidad del talud
1. Verificación automática del muro:
• Se ejecuta la verificación automática del muro, que analiza:
o Estabilidad al vuelco: Factor de seguridad 54.9.
o Deslizamiento: Factor de seguridad 97.4.
o Presión horizontal: 2.9.
• El análisis incluye fuerzas actuantes sobre la construcción.
2. Verificación detallada:
• Momento resistente > momento de vuelco: Verificación satisfactoria.
• Fuerza horizontal resistente > fuerza activa: Deslizamiento satisfactorio.
• Presión máxima en base del bloque y resistencia al corte por fricción: también evaluadas.
• Presión promedio en el frente: 2.29 kPa.
• Evaluación de juntas constructivas y capacidad portante del material.
3. Verificación de estabilidad de taludes (método Bishop):
• Se analiza estabilidad de talud con:
o Momento estabilizador y momento deslizante.
o Factor de seguridad: 1.93 (aceptable).
• Comparación con otros métodos muestra valores similares (ej. 2.69, 1.93).
Verificación y Diseño de Muros de Contención (Gaviones y Suelos Reforzados)
1. Muros de Gaviones
• Tipos: De dos y tres niveles.
• Verificación estructural: Deslizamiento, volteo y capacidad portante.
• Aspectos considerados:
o Asignación de cargas sísmicas (0.16g y 0.08g).
o Cargas distribuidas y puntuales.
o Excentricidad y ensamblaje entre bloques.
o Estabilidad del talud con métodos estándar y optimizados.
• Soluciones: Profundización de base, adición de “uña”, mejora geométrica.
2. Suelo Reforzado
• Herramienta usada: Software MacStars W.
• Elementos: Geotextiles, formaletas textiles, relleno compactado.
• Diseño aplicado: En defensas ribereñas del norte del Perú.
• Verificación:
o Estabilidad global (factor de seguridad bajo, requiere mejora).
o Cargas puntuales y distribuidas.
o Configuraciones de uno y dos lados.
3. Recomendaciones Finales
• Ajustar geometría (talón, puntera, alas) y materiales según configuración.
• Usar manuales técnicos y ensayos físicos para validar diseños.
Mecánica de Rocas Aplicada a Túneles
Introducción
En los últimos años, el Perú ha incrementado significativamente la ejecución de proyectos de infraestructura subterránea, como la construcción de la Línea 2 del Metro de Lima, así como nuevos proyectos viales que incluyen túneles, como la Nueva Carretera Central. Estos proyectos presentan grandes desafíos geotécnicos y constructivos, destacando la necesidad de comprender la mecánica de rocas y su aplicación al diseño y construcción de túneles.
Contexto Práctico
Durante la ejecución de estaciones del metro, se utilizan métodos constructivos como el cut and cover (cortar y cubrir), que incluye la ejecución de muros pantalla y pilotes para conformar estructuras tipo caja. En el interior, se distribuyen espacios funcionales como el andén inferior y el vestíbulo superior.
Normativa Técnica AplicableSe hace uso del Manual de Carreteras: Túneles, Muros y Obras Complementarias del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, que incluye los siguientes capítulos relevantes:
1. Generalidades
2. Diseño geométrico de túneles
3. Estudios geológicos y geotécnicos
4. Clasificación geométrica y diseño empírico
5. Cálculo estructural
6. Ventilación y drenaje
7. Sostenimiento de túneles
8. Auscultación y monitoreo
9. Seguridad e higiene en obra
Tipos de Túneles
Clasificados según:• Material de excavación: roca, suelo, falsos túneles.
• Cantidad de tubos de circulación: túneles unidireccionales o bidireccionales.
• Forma de sección: circular, rectangular, herradura, abovedados, submarinos prefabricados.
Diseño Geométrico
• El diseño en planta y perfil debe armonizar con la traza de la carretera.
• Se consideran radios mínimos de curvatura, pendientes máximas y mínimas, curvas verticales y de transición.
• Peraltes: se analiza la variación en función del tiempo y longitud del tramo.
Sección Transversal Típica
• Contempla calzada, veredas, elementos de sostenimiento, revestimiento e impermeabilización.
• En túneles mayores a 500 m deben incluirse zonas de emergencia.
• Dimensiones clave:
o Gálibo vertical mínimo: 5.5 m
o Altura libre en veredas: 2.4 m
o Ancho mínimo de vereda rural: 35 cm
o Ancho total mínimo de vereda más calzada: 1.95 m
Elementos de Seguridad
• Ventilación, iluminación y drenaje adaptados a las dimensiones y uso del túnel.
• Galerías de comunicación entre túneles paralelos cada 400-500 m (mínimo 1.4 m de ancho y 2.6 m de alto).
• Zonas de evacuación vehicular: ubicadas cada 1000 m, con dimensiones mínimas de 5.0 m de ancho y 5.5 m de alto.
• Refugios peatonales y señalización para situaciones de emergencia.
1. Importancia del Estudio Geológico y Geotécnico
• Conocer el macizo rocoso es esencial para definir el método de excavación, sostenimiento, y trazado del túnel.
• Las condiciones geológicas pueden influir en la estabilidad, el diseño y la ejecución del túnel.
2. Objetivos del Estudio Geológico
• Identificar características del macizo rocoso: formación, estructura geológica, historia, fallas, y condiciones hidrogeológicas.
3. Objetivos del Estudio Geotécnico
• Determinar propiedades físico-mecánicas: resistencia, cohesión, permeabilidad, dureza, etc.
• Evaluar la estabilidad del macizo y presiones sobre el sostenimiento.
• Identificar riesgos geológicos, hidrogeológicos y geotécnicos.
4. Técnicas e Instrumentación
• Levantamiento de discontinuidades: dirección, buzamiento, espaciado, rugosidad, presencia de agua.
• Uso de normas ISRM y AF para caracterización de fracturas.
• Estereogramas y diagramas de roseta para análisis estructural.
5. Estudios Hidrogeológicos
• Determinar presencia de acuíferos.
• Métodos: calicatas, sondeos, y técnicas geofísicas (sísmica de refracción, métodos eléctricos, etc.).
6. Ensayos Geotécnicos
• SPT, penetración dinámica, presiométrico, molinete, entre otros.
• Ensayos de identificación del suelo, análisis granulométrico, y límites de Atterberg.
7. Petrología y Mineralogía
• Determina la composición y estructura de la roca.
8. Análisis de Riesgos Geológicos
• Evaluación de incertidumbres y condiciones imprevistas durante la excavación.
9. Métodos de Excavación
• Convencionales: explosivos para túneles cortos.
• Mecanizados (TBM): para túneles largos, permiten excavación y sostenimiento simultáneo.
• Ventajas y desventajas según tipo de suelo y longitud del túnel.
Clasificación Geomecánica y Diseño Empírico
1. Clasificaciones históricas y empíricas:
• Terzaghi (1946): Clasificó el terreno en 10 categorías según condiciones geológicas. Luego fue modificada por Deere (1970), quien incorporó criterios más prácticos de ingeniería.• Bieniawski (1973, 1989): Introdujo el sistema RMR (Rock Mass Rating), considerando parámetros como RQD, resistencia uniaxial, estado de discontinuidades, agua, etc.• Müller (1964): Propuso el uso del RQD (Rock Quality Designation), que mide la calidad del macizo rocoso.• Barton (1974, modificado hasta 2000): Desarrolló el sistema Q para clasificación del macizo, integrando seis parámetros y proponiendo métodos de sostenimiento.2. Sistemas modernos de clasificación:
• GSI (Hoek & Brown, 1992): El Geological Strength Index permite estimar la resistencia del macizo rocoso con base en su estructura y condición superficial.• Clasificación de Whitman (1972): Asoció el tipo de sostenimiento requerido a valores de RQD.• Sistema de Kievski: Integra parámetros de RMR, Q y GSI para análisis más completos.3. Diseño empírico del sostenimiento:
• Las clasificaciones sirven para definir el tipo y cantidad de sostenimiento (concreto proyectado, pernos, cerchas metálicas).• Se emplean tablas de estabilidad temporal, como las de Bieniawski y Barton, para decidir el sostenimiento según el tiempo de exposición sin soporte.
Cálculo de Túneles
1. Diseño sísmico de túneles
El diseño de túneles debe garantizar la seguridad estructural ante sismos, considerando las características geotécnicas del terreno. Factores influyentes:• Condiciones geológicas e hidrosísmicas.• Deformaciones del terreno.• Diseño y método constructivo.2. Comportamiento sísmico de túneles
Riesgos potenciales:• Fallas activas que interceptan el túnel.• Deslizamientos de tierra.• Suelos licuables.• Historial de fallas sin refuerzo.Modos de deformación sísmica:
• Deformación lateral.• Axial.• Curvatura.3. Métodos de diseño y análisis sísmico
• Métodos analíticos: útiles en suelos blandos y túneles simples. Consideran interacción suelo-estructura.• Criterios de rotura:o Mohr-Coulombo Griffitho Hoek-Brown (modelo generalizado para macizos rocosos).o Ajustes numéricos y linealización con criterio de Morhpurgo.4. Modelación numérica de túneles
Métodos de análisis según el tipo de terreno:• Terreno continuo: elementos finitos, diferencias finitas.• Terreno discontinuo: elementos discretos, elementos de contorno.Consideraciones clave:• Tipo y tamaño de malla.• Convergencia de resultados.• Iteraciones para validar la precisión del modelo.
Excavación en túneles
• Métodos principales: Excavación convencional (perforación y voladura) y mecanizada (tuneladoras TBM, rozadoras, aserradoras).
• Selección del método: Depende del tipo de terreno y del índice RMR del macizo rocoso.
• Tipos de TBM: Escudo simple, doble escudo y escudo con presión de tierra.
• Consideraciones técnicas: La excavación mecanizada ofrece mayor rendimiento; la convencional es más flexible para túneles cortos o de geometría variable
Sostenimiento
• Elementos comunes: Anillos metálicos, pernos de anclaje, concreto proyectado, serchas metálicas, sistemas de protección vía seca o húmeda.
• Métodos aplicados: NATM (austriaco), belga modificado, segmental, entre otros.
• Aplicación: Se adapta según condiciones del terreno y tipo de excavación, buscando seguridad y eficiencia.
Auscultación
• Finalidad: Monitorear deformaciones, tensiones y posibles impactos durante la excavación.
• Frecuencia de medición: Cada 20 a 50 metros, con mayor frecuencia al inicio.
• Instrumentación utilizada: Inclinómetros, extensómetros, piezómetros, sensores de presión de agua.
• Importancia: Permite interpretar y evaluar el comportamiento estructural y ambiental del túnel.
Revestimiento y acabados
• Tipos de revestimiento: Primario, intermedio, principal y de refuerzo.
• Control de filtraciones: Paneles drenantes, tubos longitudinales, colectores.
• Diseño y acabados: Pavimentos especiales, portales con análisis de taludes y refuerzos estructurales según condiciones geológicas e hidrotécnicas.
• Medidas de refuerzo en portales: Anclajes, inyecciones, anillos, serchas metálicas.
Control y Seguimiento en la Ejecución de Túneles
1. Control geológico y geotécnico
• Existe incertidumbre inicial sobre la geología del terreno, incluso con estudios previos.
• Se requiere un control continuo del comportamiento geológico durante la ejecución.
• Se aplican fichas de seguimiento geológico, planos de geología atravesada y controles de esfuerzos y sostenimiento.
• También se evalúan núcleos de perforación para verificar calidad del macizo.
2. Control geométrico y de calidad
• Se realiza escaneo láser para comprobar el gálibo del túnel.
• Se inspecciona la calidad del concreto y otros elementos estructurales.
• Se elabora un plano longitudinal con datos recogidos en obra.
3. Instalaciones en túneles
• Incluye iluminación, ventilación y otras instalaciones técnicas esenciales.
4. Modelado y análisis numérico
• Uso de software como Geo5 y Plaxis para modelar excavaciones mediante elementos finitos.
• Simulación de distintas fases constructivas usando métodos como el NATM (método austríaco).
• Se definen parámetros geotécnicos, geometría del túnel y condiciones de contacto.
• Resultados permiten evaluar tensiones, deformaciones y estabilidad en cada etapa.
5. Instrumentación y monitoreo
• Es esencial para validar modelos numéricos y controlar impactos sobre la superficie.
• Incluye medición de esfuerzos, deformaciones y comportamiento del revestimiento.
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