Calibración de capacidad geotécnica de anclas en las tobas de la Zona de Transición de la CDMX

A consecuencia del continuo crecimiento de la Ciudad de México, las características requeridas por sus nuevas edificaciones son cada vez más complejas. Tal es el caso de un conjunto de edificios en la zona de Polanco que demanda la construcción de siete sótanos cuya excavación fue estabilizada a partir de un muro de concreto lanzado y anclas activas de gran capacidad. Anteriormente se han realizado pruebas de carga en anclas en la Zona de Transición; sin embargo, se han hecho en los suelos arcillosos de los primeros 10 m de profundidad. En este caso, se decidió llevar a cabo pruebas de carga de hasta 210 t en anclas tipo IRS cuyo bulbo se ubicó dentro del estrato de suelo conocido como “tobas”. En este artículo se describen dichas pruebas y la carga crítica obtenida. Finalmente se compara la capacidad geotécnica con la capacidad teórica estimada a través del método de cálculo de la norma TA2020.

Descripci N General Del Proyecto

El proyecto consiste en la construcción de un conjunto de edificios de usos mixtos de hasta 27 niveles y siete sótanos de estacionamiento. El área del proyecto es de 11,600 m2 y se ubica en la alcaldía Miguel Hidalgo, Zona de Transición de la Ciudad de México.

La excavación del cajón de estacionamiento se realizó a cielo abierto y se usó un muro de concreto lanzado de hasta 40 cm de espesor y seis niveles de anclas de alta capacidad para estabilizarlo. La profundidad máxima del proyecto fue de –26.00 m con respecto al nivel de banqueta.

Anteriormente se han realizado diversas pruebas para determinar la capacidad geotécnica de los suelos en esta zona; sin embargo, estas han sido llevadas a cabo en los suelos arcillosos localizados en los primeros 10 m de profundidad. En este caso se decidió realizar pruebas de carga en anclas tipo IRS (inyección repetitiva selectiva) cuyo bulbo quedase alojado a mayor profundidad.

Condiciones geotécnicas del sitio

El sitio del proyecto se localiza en la Zona de Transición. La estratigrafía está compuesta por un relleno artificial forma-

Tabla

1.

Estratigrafía del sitio Unidad Espesor (m) Descripción

Costra superior 2.5 Relleno artificial

Arcilla 7.5 Arcilla arenosa firme, de baja plasticidad

Limo 3.0 Limo arenoso firme, de baja plasticidad

Arena-limo 3.0 Arena limosa muy compacta, con gravas

Arena-arcilla 5.0 Arena arcillosa muy compacta (tobas)

Pumítica 3.0 Arena pumítica fina

Arena-arcilla 4.0 Arena arcillosa muy compacta (tobas)

Tabla 2. Características anclas de prueba do por limo arenoso con gravas de 0.0 a 2.5 m de espesor, siguiendo un estrato de arcilla arenosa firme de baja plasticidad y con gravas hasta los 10.0 m a la cual le subyace un limo arenoso de baja plasticidad hasta los 13.0 m. Después hay arena limosa muy compacta con gravas y boleos hasta los 16.0 m, y bajo esto un estrato de arena arcillosa muy compacta conocida como “tobas” con gravas y boleos hasta los 27.0 m, con una capa de arena pumítica fina intercalada (véase tabla 1).

LL: longitud libre; LB: longitud de bulbo; LE: longitud extra; LT: longitud total.

PRUEBA DE CARGA

Descripción pruebas de carga

Se construyeron en total tres anclajes de prueba. En todos ellos, los bulbos quedaron alojados en los estratos de arena limosa y arena arcillosa (tobas). A cada uno de los anclajes se le realizó una prueba de carga a la ruptura del tipo “preliminar” según la clasificación dada en las cláusulas 6.01 y 6.02 de las recomendaciones del TA2020 con el objetivo de determinar la “carga crítica de fluencia” de conformidad con la metodología indicada en la cláusula 6.1.1.2 de la norma francesa NF P94-153

La ejecución de los trabajos comprendió las etapas que se mencionan a continuación: a. Trabajos previos b. Perforación y equipamiento c. Inyección interior d. Ensayo e. Resultados f. Interpretación de resultados

34 38 40 43 45 47 42 44

Trabajos previos

Con el fin de llevar a cabo una correcta ejecución y reducir los posibles errores durante y después de la prueba, se fabricaron tres anclas de prueba tipo 10T15 con 10 cables de torón de siete hilos tipo T15 (15.2 mm) de baja relajación, grado 1860 MPa según norma ASTM A416/A416M-07. En la tabla 2 se muestran las especificaciones generales para la construcción de los anclajes de prueba. En la figura 1 se muestra el corte del ancla N3 An10bis de prueba.

Perforación y equipamiento

El barreno se hizo por medio de un equipo de perforación de diámetro pequeño equipado con broca ticónica de 5 7/8 in (149.23 mm) de diámetro nominal. El método utilizado fue rotatorio utilizando agua como fluido de perforación y de limpieza del barreno durante el proceso. Una vez que se terminó de perforar, se limpió e inyectó la lechada de agua-cemento procurando que saliera por la boca del barreno e inmediatamente se introdujo el ancla de forma manual.

El propio muro de concreto lanzado con un refuerzo extra de acero fue utilizado como elemento de reacción.

Inyección

Entre 12 y 24 horas después del equipamiento de las anclas se realizó una segunda inyección de lechada agua-cemento, esta vez utilizando el método IRS a través de cada uno de los manguitos por medio de un obturador doble hasta cumplir los criterios de presión y volumen de la tabla 3.

Ensayo de prueba de carga

El objetivo de la prueba de carga fue llevar al ancla a una carga de prueba (Te) máxima de 215 t. El proceso de carga-

Nivel PB A Muro de concreto

Relleno artificial

Arcilla arenosa firme

Arcilla arenosa firme Limo arenoso

Arena limosa Arena arcillosa

70° L=Longitudlibre 1020

2020 bulboLongituddeL=1000

Ancla 10 T15 Carga de prueba 215 t Incrementos de carga 21.5 t

Arena predominante P (kg/cm2) V (L/m)

1 a 3 Arena muy compacta con gravas 25 80

P: presión en manómetro en boca del barreno; V: volumen de lechada por metro de perforación.

Tabla

Núm. Valores antes de ajustar Ajuste para valores de presión cerrados descarga para cada una de las anclas de prueba se realizó de acuerdo con lo establecido en la cláusula 5.2.1.1. de la norma NFP94-153. La figura 2 muestra de forma esquemática el ciclo de la prueba y la tabla 4 los valores de los incrementos y decrementos de carga con base en la carga máxima de prueba calculada. La ejecución de la prueba de carga fue durante el siguiente procedimiento:

• Montaje de un gato hidráulico hueco en el ancla.

• Colocación de soportes para bases e indicadores de desplazamiento.

• Aplicación de carga inicial (T0).

• Aplicación de ocho incrementos escalonados de carga hasta alcanzar la carga de prueba (Te) o la carga máxima sostenible.

• Cada incremento se mantuvo por una hora recuperando carga en caso necesario para mantenerla constante midiendo el alargamiento de los cables y de los indicadores a los 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 50 y 60 minutos.

• Al concluir el tiempo de espera del último incremento se realizó la descarga en forma escalonada esperando un minuto cada vez hasta descargar por completo el ancla.

Para evitar errores en la aplicación de carga, se hizo un ajuste en los incrementos de carga para utilizar valores de presión cerrados (véase tabla 4); de esta manera, la nueva carga máxima

N3-An10bis_03-04-19 N3-An10bis_05-04-19

Cabe señalar que se utilizó la norma francesa NFP94-153 como guía durante las pruebas, debido a la falta de normativa mexicana al respecto. Si bien existen algunas otras reglamentaciones internacionales que pueden aplicarse (normas del PTI o normas DIN, por ejemplo), con procedimientos y recomendaciones muy similares y que conducen a resultados también muy cercanos entre sí, se optó por la norma francesa porque es con la que el personal que ejecutó los ensayos estaba más familiarizado.

Resultados

Para cada prueba se obtuvo el valor de la carga crítica de fluencia (Tc) de acuerdo con lo establecido en la cláusula 6.1.1.2 de la norma NFP94-153.

Se realizaron en total cinco pruebas de carga en tres diferentes anclas. En cada ancla se realizaron de una a dos pruebas de carga a la ruptura del tipo “preliminar” y se obtuvieron los valores de carga crítica de fluencia (Tc).

Ancla N3-10bis

Como resultado de la primera prueba, se alcanzó la carga máxima de prueba ajustada Te’ de 225 t, y con base en los datos de carga y desplazamiento medidos se obtuvo la gráfica “carga-alargamiento”, la cual se presenta en la figura 3. Debido a los mínimos movimientos del ancla registrados durante la prueba, no fue posible definir de forma clara la carga crítica, por lo que se consideró como carga crítica el valor máximo alcanzado.

Con el fin de comprobar los resultados, el ancla se reinyectó y se repitió la prueba. De se

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Cabe destacar que para la segunda prueba la reinyección del ancla permitió recuperar la capacidad geotécnica y su comportamiento fue ligeramente más rígido (véase figura 5).

Ancla N3-39bis

Para la prueba se alcanzó la carga máxima de prueba especificada y con los resultados se logró estimar la carga crítica.

Interpretación de resultados carga crítica de forma clara, por la misma razón mencionada. En respuesta a estos resultados, se decidió recortar la longitud de bulbo a 7 m para las siguientes dos anclas y quedó como se muestra en la figura 4.

Debido a los desplazamientos prácticamente nulos del ancla N3-10bis, no se obtuvo una curva bien definida en la prueba; por lo tanto, no fue posible estimar la carga crítica, y debido a ello se consideró la carga máxima Tc’= 225.6 t como carga crítica (véase figura 6).

Ancla N3-38bis

Para la primera y segunda prueba se alcanzó la carga máxima de prueba ajustada, y con los resultados se logró estimar la carga crítica.

Para las anclas N3-38bis y N3-39bis, con bulbos de menor longitud, sí fue posible obtener cargas críticas, que fueron de 133.1 t y 135.0 t, respectivamente. Finalmente, la carga crítica promedio de toda la serie de pruebas se estimó de 133.0 t. La capacidad de carga crítica por metro de suelo obtenida es de 19 t/m (véase figura 7).

CÁLCULO DE CAPACIDAD GEOTÉCNICA Método de Bustamante

Para el dimensionamiento de la longitud del bulbo para un ancla, se usó el método de Bustamante. El cálculo de la tensión última se realiza con la expresión Tu = π * Ds * Ls * qs, donde Ds es el diámetro de cálculo del bulbo, Ls es la longitud del bulbo, qs es la fricción límite unitaria del suelo donde se alojará el bulbo, Ds es el diámetro de cálculo que depende del diámetro de perforación Dd y un coeficiente de expansión α provocada por la técnica de inyección de la lechada.

Ds = Dd * α

Los valores utilizados para el cálculo de la tensión última son:

Dd = 6 in = 0.1527 m α = 1.55

Ds = 0.23622 m qs = 0.29 MPa

Ls = 7 m

El valor de Tu es de 153.62 t, es decir, una capacidad por metro de 21.9 t/m.

Conclusiones

Se fabricaron tres anclas de prueba (N3 An10bis, An38bis y An39bis); en dos de ellas se reinyectó para recuperar la capacidad geotécnica y probarlas por segunda ocasión (N3 An10bis y N3 An38bis). Debido a los resultados de la prueba de carga en el ancla N3 An10bis, se decidió recortar la longitud de bulbo a 7.0 m para las siguientes dos anclas de prueba. Como resultado de las pruebas de carga se obtuvo una carga crítica Tc de 19 t/m para las tobas de la Zona de Transición de la Ciudad de México, para anclas con 6 in de diámetro y tipo IRS.

Se observó que en un ancla “fallada” es posible recuperar la capacidad geotécnica de las anclas volviendo a inyectar lechada a presión (anclas tipo IRS). Asimismo, se demuestra un incremento en su rigidez

El método de Bustamante para cálculo de la capacidad última de anclas proporciona resultados similares a los medidos en campo

Nota: La versión original de este artículo fue publicada en la Memoria de la XXX Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica, 2021.

Referencias

Comité Français de la Mécanique des Sols et Travaux de Fondations (2020) TA2020. Recommandation concernant la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle pour tirants d’ancrage.

Ingeniería Experimental, S.A. de C.V. (2011). Conjunto Polanco. Estudio de mecánica de suelos. IE-2011-MSU-CONJUNTO POLANCO010-23-I-00”

Norma francesa P94-153 (1993). NF P94-153 Essai statique de tirant d’ancrage.

Norma ASTM A416/A416M-10. Standard specification for steel strand, uncoated seven-wire for pre-stressed concrete.

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Carlos Roberto Torres Álvarez Universidad Autónoma de Durango.