Estudio de movimientos y filtración en una excavación con pantallas

Abstract

RESUMEN: En una determinada parcela se van a construir unos edificios con dos niveles de sótanos. La excavación necesaria para los sótanos se va a realizar al abrigo de pantallas hormigonadas in situ. La proximidad de los edificios existentes a la excavación hace que se tenga una restricción importante con relación a los movimientos del terreno en el entorno de la excavación. Por ello, tras un dimensionamiento previo se propone una excavación con pantalla apuntalada a dos niveles. Se ha llevado a cabo una campafta de trabajos de campo consistente en sondeos mecánicos, ensayos de penetración y ciertos ensayos de laboratorio con el fin de conocer los materiales presentes en la zona y sus características geotécnicas. El perfil del terreno de acuerdo al reconocimiento llevado a cabo, consiste en un estrato de arena de espesor variable, situándose por debajo una capa de arcillas también de espesor variable, y finalmente unas gravas de espesor medio de 6 m que se sitúan sobre la roca que aparece a una profundidad aproximada de 20 m. Con respecto al nivel de arcillas, en algunos de los sondeos realizados esta capa no fue detectada. Otro aspecto a analizar es el relacionado con la filtración en el entorno de la excavación. El nivel freático en la zona se sitúa a una profundidad aproximada de dos metros siendo la excavación prevista de unos siete metros. La excavación se va a realizar en seco, lo que supone una filtración desde la zona exterior al interior de la excavación. En este caso, es importante tener en cuenta el distinto perfil del terreno con zonas en las que aparece un espesor de arcillas de hasta 4m y otras en las que este estrato no fue detectado. De acuerdo con lo anterior, los objetivos del presente estudio son: Analizar los movimientos generados en la pantalla y en el terreno durante la excavación, así como las tensiones en el terreno y los esfuerzos sobre los elementos estructurales. Analizar la filtración en el entorno de la excavación. Análisis de movimientos y tensiones Para modelizar el problema y analizar los movimientos, se ha empleado el software Plaxis 2D Version 8 (Brinkgreve R.B.J, 2007). Este software está basado en el método de elementos finitos para el análisis, en dos o tres dimensiones, de deformaciones y tensiones. Del análisis de los resultados obtenidos se pueden destacar las siguientes conclusiones. Se observa cómo el terreno situado por debajo del fondo de la excavación tiende a levantarse y cómo los puntos del terreno más próximos a la pantalla tienden a moverse hacia el interior de la excavación, con unos valores máximos de 4,550 cm de desplazamiento vertical y de 1,138 cm de horizontal. En cuanto a la superficie de terreno no excavado en la zona, el desplazamiento total ascendente máximo es de O,7332 cm y se produce en la zona cercana a la pantalla. La distribución de las tensiones verticales refleja unos valores máximos de compresión de 399,8 kN/m2, en el caso de las tensiones totales verticales, y de 219,8 kN/m2, en el caso de las tensiones efectivas verticales. Se observa cómo la pantalla tiende a flectar hacia el interior de la excavación y a elevarse, como consecuencia de los empujes del terreno sobre ella. El desplazamiento máximo total de la pantalla es de 1,353 cm siendo el horizontal de 1,138 cm. Por último, se han estudiado, tras la excavación, los cortantes y momentos flectores en la pantalla y las fuerzas en los puntales. Los cortantes máximos y mínimos que sufre la pantalla son de 81,66 kN/m y de -179,20 kN/m y los flectores máximos y mínimos de 2,030 kN*m/m y de - 405,8 kN*m/m. La máxima fuerza que soportan los puntales superiores e inferiores, por metro lineal, en valor absoluto, es de 76,929 kN y de 192,121 kN, respectivamente. Análisis de filtración en el entorno de la excavación Para el estudio de la filtración en el entorno de la excavación, se ha empleado el software SEEPIW 2012 de Geo-Slope (Seep/W 2001). Éste es un software que, mediante el método de elementos finitos, permite el análisis de la filtración de agua en el interior el terreno. Los resultados obtenidos muestran cómo los caudales filtrados son del mismo orden de magnitud para los casos con presencia de la capa de arcillas con distintos espesores, estando estos valores comprendidos entre 7,5•10-10 m3/s y 3,0•10-9 m3/s. Los caudales aumentan al disminuir el espesor de arcillas y aumentar el de arena, lo cual resulta lógico. Con respecto al caso sin arcilla, el caudal resulta muy superior, tal y como era de esperar. En concreto, el caudal obtenido es de 3,2•10-3 m3/s, seis órdenes de magnitud mayor a los casos con arcilla. Esto también es lógico dadas las permeabilidades de las arenas y las arcillas. Con respecto a la posición de la superficie libre y al descenso del nivel freático en las cercanías de la excavación, los resultados muestran cómo en los casos con presencia de arcilla no se produce descenso apreciable del nivel freático. En cambio, en el caso de no presencia de arcilla, se aprecia un descenso del nivel freático en el entorno de la excavación, siendo máximo, de valor 50 cm, en el contacto con la pantalla y reduciéndose de forma progresiva al alejarse de la pantalla. El último aspecto a analizar es el posible levantamiento del fondo de excavación. En este sentido, para los casos con presencia de arcillas, los gradientes hidráulicos generados en el estrato arcilloso son grandes, ya que es en dicho estrato donde se producen las mayores pérdidas de potencial por unidad de longitud. En concreto, en la base de la capa de arcillas, la presión intersticial es de 120 kPa. Si se compara este valor con el de la tensión total vertical a esa profundidad (140 kPa) se concluye que no habrá levantamiento del fondo, resultando aJu =1,17. En el caso de no presencia de arcillas, los gradientes hidráulicos son suficientemente bajos como para que no se produzcan problemas de sifonamiento.

ABSTRACT:Sorne buildings with two basement floors are going to be built. Diaphragm walls will be used for the excavation. As a consequence of the short distance between the excavation and sorne other existing buildings, there is an important constraint regarding the possible soil movements in the excavation area. Therefore, a previous design has suggested that diaphragm walls with two rows of struts should be used. Sorne field work has been carried out so as to know the different materials in the area and their geotechnical properties. For site investigation, boreholes, penetration tests and laboratory tests were performed. The soil profile, based on the field work, consists of a first }ayer of sand, then a clay stratum (both of them with variable thickness depending on the location) and a 6 m thick layer of gravel. The rock is located bellow the grave} at a depth of 20 m. Dealing with the clay layer, this material was not detected in one of the borings. Another important issue is the analysis of the seepage in the excavation area. The ground water level in this area is located two meter deep. The excavation is to take place keeping dry the excavation. This will result in sorne seepage from the excavation surroundings to the cutting. For the analysis of the seepage, the different thickness of both the sand and clay layers has to be taken into account. Accordingly, the objectives of this study are: To analyze the diaphragm wall and soil movements during the excavation, and the stresses in the soil and the structural elements after the excavation. To evaluate the seepage process in the excavation surroundings. Analysis of movements and stresses Plaxis 2D Version 8 (Brinkgreve R.B.J, 2007) has been used for the study of the diaphragm wall and soil movements. This software, based on the finite element method, is commonly used in geotechnical problems for the analysis of deformations and stresses in 2D or 30. From the analysis of the results, sorne conclusions can be made. On the one hand, the soil which is located below the excavation tends to move upwards being the maximum vertical displacement 4,550 cm. On the other hand, the soil which is close to the wall tends to move sideways to the excavation with a maximum horizontal displacement of 1,138 cm. Conceming the excavation surrounding area, the maximum upwards total displacement takes place in the points that are closest to the wall and its value is equal to O,7332 cm. With regard to the vertical stresses distribution, the maximum total vertical stress is equal to 399,8 kN/m2 whereas the maximum effective vertical is 219,8 kN/m2• The wall is likely to bend to the excavation and to move upwards as a consequence of the earth pressure on it. The maximum total wall displacement is 1,353 cm and the maximum horizontal one is 1,138 cm. Finally, the distributions of the shear stresses and the bending moments in the wall have been studied as well as the strut forces. The maximum and mínimum shear stresses are equal to 81,66 kN/m and -179,20 kN/m while the maximum and mínimum bending moments are 2,030 kN*m/m and -405,8 kN*m/m. For the struts, the maximum absolute value force of the top and bottom struts is equal to 76,929 kN/m and 192,121 kN/m respectively. Analysis of the seepage in the excavation surroundings In order to analyze the seepage in the excavation surroundings, SEEPIW 2012 (Seep/W 2001) by Geo-Slope has been used. This software, based on the finite element method, is commonly used to study the seepage process in the ground. According to the obtained results, in those cases with different thickness of the clay layer, the discharge values are quite similar: between 7,5•10-10 m3/s and 3,0•10-9 m3/s. The higher discharge was obtained for the situation with a lower thickness of the clay layer, as it was expected. When there is not clay, the discharge appears to be much higher, as it is supposed to, with a value of 3,2* 10-3 m3/s. In other words, the presence of the clay layer results in a water flow rate six orders of magnitude larger than the case without clay. This is also logical because of the values of sand and clay permeability, which are clearly different. In relation to the position of the free surface and to the drop of the ground water level in the excavation surrounding area, the results show that there is not that significant drop when there is sorne clay. However, if there is not any clay, this drop of the ground water level is relevant. The maximum value of this drop is 50 cm and it appears in the points which are closest to the wall. This drop decreases with the distance to the wall. The last issue that has been studied is the possibility of piping in the excavation. On this subject, the hydraulic gradients in the clay layer are important because of its permeability. Particularly, at the bottom of the clay layer, the pore water pressure is 120 kPa and the vertical total stress at that depth is 140 kPa. These values result in a ratio uJu = 1,17 so it can be concluded that piping will not occur . On the other hand, if there is no clay, the hydraulic gradients are too small to let piping take place.