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En zonas urbanas es cada vez más frecuente realizar excavaciones para la construcción de sótanos de edificios y otras obras de carácter municipal, muchas de estas excavaciones suelen ser profundas (mayores a 4.0 m), y para su estabilización se requieren de sistemas de contención ajenos al propio talud. Una excavación puede definirse en ingeniería civil, como el retiro planificado, en forma manual o mecanizada, de cierto volumen de suelo, asociado con las primeras etapas de construcción de una obra.
En la actualidad la mayoría de las edificaciones por necesidades arquitectónicas cuentan con varios niveles de sótanos que suelen ser usados como estacionamientos, y que pueden tener profundidades variables, esto generalmente por optimización de espacios o bien por soluciones geotécnicas. Por tal razón, en este tipo de proyectos es fundamental determinar métodos de excavación apropiados y sistemas efectivos de contención del suelo, que protejan las paredes de la excavación y eviten posibles fallas del talud, que podrían afectar a estructuras vecinas e instalaciones municipales, además de al propio desarrollo del proyecto y al personal que labore en este, por lo que es indispensable estudiar bajo qué condiciones se realizarán los trabajos de excavación, tomando en cuenta que estos podrían causar pérdida de capacidad de carga, asentamientos, movimientos laterales, entre otros efectos.
En esta sección se presentan los aspectos generales a considerar para el diseño de excavaciones, además de evaluar procedimientos y alternativas de construcción.
Estabilidad de excavaciones profundas
Conceptualmente, los trabajos de excavación se refieren al proceso de movimiento[1] de tierras para la construcción de una cimentación, cuando por necesidades arquitectónicas o condiciones geotécnicas se requiera.
Para garantizar la estabilidad de una excavación se analizan las fallas potenciales en las paredes, además de revisar la falla de fondo, que puede presentarse de dos maneras:.
a) Por capacidad de carga o corte en el fondo de la excavación, y.
b) Por sub-presión debido a la presencia de agua en el fondo de la excavación,.
c) Un tercer factor a revisar son las expansiones debidas a la liberación de esfuerzos, estas si bien no conllevan a la falla del fondo de la excavación, puede producir deformaciones inadmisibles del mismo, las cuales pueden afectar a colindancias y repercutir en el desarrollo del proyecto..
Entre las condiciones a revisar para garantizar la estabilidad de una excavación se encuentran las siguientes:.
Esta se presenta en arcillas blandas y saturadas, manifestándose como un levantamiento brusco del fondo, provocado por el desalojo del material a la par del hundimiento repentino de la superficie del terreno aledaño a la excavación, lo que puede ocasionar el colapso de las paredes de la misma o del sistema de soporte lateral si este existiera.
Factores de seguridad recomendados contra falla de fondo.
El factor de seguridad contra falla de fondo es función del tiempo que la excavación permanece abierta, sin carga ni inundación; lo cual está relacionado con dos factores que afectan la resistencia al corte de las arcillas a través del tiempo, que son:.
- La velocidad de la deformación de las paredes y del fondo de la excavación disminuye con el tiempo que el fondo permanece descargado, por lo que la resistencia al corte de la arcilla disminuye respecto a su valor determinado en la prueba triaxial no drenada, en la que el volumen se mantiene constante y la velocidad de la deformación es mayor que la que ocurre en campo.
- La expansión volumétrica de la arcilla subyacente al fondo de la excavación está en función del tiempo que permanece descargada y va acompañada de absorción de agua y de la consiguiente disminución de la resistencia al corte.
Tomando en cuenta estos fenómenos que afectan la resistencia al corte de la arcilla a través del tiempo, y basándose en la observación del comportamiento de excavaciones en obras como el Metro subterráneo en las arcillas de la Ciudad de México, algunos autores recomiendan valores del factor de seguridad, aplicables según el tiempo de exposición del fondo a la descarga.
- Si el peso del suelo desalojado en la última etapa de la excavación se sustituye por la losa de fondo y parte de la estructura de cimentación en el mismo día en que se termina la excavación, puede ser aceptable un factor de seguridad de 1.40. Sin embargo, en la práctica profesional es muy poco probable que se presente esta situación.
- Si el tiempo de exposición del fondo sin carga es menor de 15 días, el factor de seguridad mínimo recomendable es de 1.50.
- Para un tiempo de exposición sin carga, menor de 45 días, es recomendable un factor de seguridad mínimo de 1.60.
- Si el tiempo de exposición del fondo a la descarga es menor de 90 días, es recomendable un factor de seguridad mínimo de 1.70.
- Para un tiempo de exposición de hasta de 180 días se recomienda un factor de seguridad mínimo de 1.80.
- Si el fondo de la excavación debe permanecer descargado por más de 180 días, es necesario contar con un factor de seguridad mínimo de 2. Sin embargo, aun cuando este factor de seguridad es adecuado para la estabilidad del fondo, debe tenerse en cuenta que los asentamientos de la superficie del terreno adyacente son función del tiempo que la excavación permanece abierta con el nivel freático abatido; por tal razón, la ejecución de excavaciones profundas en arcillas blandas deben ser planeadas para realizarlas en el menor tiempo posible, dentro de la seguridad contra falla del fondo y con el menor asentamiento posible de las colindancias, con el fin de evitar daños a construcciones o instalaciones vecinas.