SOIL NAILING. UNA SOLUCIÓN ECONÓMICA Y RÁPIDA PARA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES DE TERRENOS COHERENTES Y ROCAS MODERADAMENTE FRACTURADAS
GENERALIDADES
En ciertos casos se nos presenta la necesidad de excavar el talud de un terreno que no llega a ser suficientemente estable por sí mismo para la altura total de excavación pero que se encuentra próximo serlo, y presenta cierta aptitud para sostenerse durante una excavación progresiva como es el caso de terrenos coherentes.
En otras ocasiones se requiere la excavación de un paramento vertical en rocas que si bien son estables globalmente, presentan cierta susceptibilidad al desprendimiento superficial de fragmentos o bloques sueltos.
En estos casos puede ser suficiente con la estabilización del talud o paramento mediante la técnica de Soil Nailing o claveteado de bulones anclados al terreno, no siendo necesario recurrir a sistemas de sostenimiento más costosos como los muros pantalla.
En esta ocasión desde RRG INGENIEROS pasamos a reseñar los aspectos esenciales en la aplicación de esta técnica de sostenimiento.
NORMATIVA APLICABLE
No existe normativa específica para el diseño de Soil Nailing en España, si bien contamos con la guía americana FHWA-NHI-14-007 «Soil Nail Walls–Reference Manual» del Federal Highway Administration (FHWA) que es el manual más completo y usado a nivel mundial.
Contamos también a nivel europeo con la norma EN 14490:2010 “Execution of special geotechnical works – Soil nailing” que define lo relacionado a la ejecución de los trabajos de Soil Nailing.
A nivel de diseño geotécnico general aplicaremos con las debidas adaptaciones las directrices sobre la estabilidad del terreno, cargas aplicadas y factores de seguridad definidas en la normativa española sectorial de cada tipo de obra o el Eurocódigo 7.
¿EN QUÉ CONSISTE EL SOIL NAILING?
El Soil Nailing o Muro Claveteado consiste en introducir pequeños y numerosos anclajes pasivos al terreno en forma de barras de acero (clavos o bulones) para reforzarlo progresivamente según se va realizando la excavación, lo cual permite el avance de la misma sin causar su derrumbe al ir estabilizando previamente a cada fase de excavación del mismo.
A medida que se excava el terreno, se instalan los bulones, se aplica una malla metálica de refuerzo y un recubrimiento de hormigón proyectado (gunita), prosiguiendo de esta forma iterativamente en cada fase de excavación hasta completar la formación del talud definitivo y siguiendo un proceso constructivo similar al mostrado en la figura:
(Fuente: Fig. 2.2 y FHWA-NHI-14-007)
Los clavos compensan la tendencia del terreno interior a empujar la capa superficial de terreno hacia el exterior, trabajando principalmente a tracción, actuando como anclas fijadas por rozamiento en el núcleo del talud y por medio de tuerca-placa de reparto al paramento exterior del talud (generalmente gunitado):
RANGOS DE APLICACIÓN DEL SOIL NAILING
El Soil Nailing es una buena opción en los siguientes casos:
- Excavaciones o estabilización de taludes en suelos con cohesión significativa (susceptibles de sostenerse durante una excavación por bataches horizontales descendentes)
- Estabilización superficial de frentes de roca superficialmente disgregados o con riesgo de desprendimiento de bloques
- Zonas donde el espacio para maquinaria pesada es limitado, se requiere flexibilidad constructiva, rapidez de ejecución o reducir el impacto constructivo
- Refuerzo de estructuras existentes, como muros de contención o taludes erosionados
- Alturas de talud de 3 a 20 m (si el cálculo a estabilidad lo admite)
Existen en cambio situaciones donde el Soil Nailing no es la mejor opción y es preferible recurrir o otras opciones como pantallas ancladas:
- Suelos de baja cohesión,o puramente granulares o rocas extremadamente fracturadas para los que no se puede garantizar la adherencia de los bulones
- Presencia de alto nivel freático sin un sistema de drenaje adecuado
- Altos requerimientos de rigidez donde las deformaciones mínimas sean críticas (por ejemplo, en excavaciones junto a estructuras sensibles)
- Suelos colapsables o expansivos (dado que el sistema puede perder rigidez durante los ciclos de deformación positiva y negativa, sufrir alabeamientos por deformaciones diferenciales, etc)
ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SOIL NAILING:
- 1. Bulones de Acero (Anclajes) y envueltos en lechada de cemento inyectada, siendo los tipos de armaduras más comunes son los siguientes:
*Barras de acero corrugado convencional (fy=400 a 500 MPa)
- Diámetros: Usualmente de 20 mm a 32 mm
- Aplicación: Suelen usarse cuando el suelo es relativamente estable y no requiere sistemas de alta resistencia.
- Ventajas: Económicas y fáciles de obtener. Requieren menos especialización en fabricación y montaje.
*Barras Roscadas (Tipo Gewi, Dywidag, o similares)
- Diámetros: Usualmente de 25 mm a 40 mm
- Aplicación: Se emplean cuando es necesario anclaje con cierto pretensado de los bulones o en suelos más inestables.
- Ventajas: Fáciles de instalar y ajustar mediante placas y tuercas. Utilizadas para sistemas de mayor capacidad de carga.
*Barras Autoperforantes (Titan y similares)
- Diámetros: 32 a 40 mm
- Aplicación: Muy útiles en suelos con poca cohesión y situaciones donde se necesita perforar sin usar un tubo adicional
- Ventajas: Perforación e inyección simultánea, ideal para terrenos inestables. Uso en taludes activos o proyectos de urgencia.
- 2. Hormigón Proyectado (Gunita): Se acomete en 2 fases, una primera capa (“Initial Facing”) se coloca una vez se han colocado todos los bulones de cada batache correspondiente y a fin de una primera estabilización, y la capa final de gunitado (“Final Facing”) se coloca cuando ya están colocados todos los bulones y la capa inicial, a fin de servir de acabado del paramento e incrementar la resistencia mecánica del conjunto:
Para reforzar la capa de hormigón proyectado y proporcionar una mayor resistencia a las tensiones de corte y flexión se colocan mallas de acero en cada una de ambas capas.
- 3. Placas de reparto: Se utilizan para repartir el esfuerzo de tracción de los bulones sobre las capas de hormigón gunitado, evitando de esta manera el punzonamiento de las mismas
- 4. Sistema de Drenaje (Opcional): En algunos casos, se implementan sistemas de drenaje para evitar la acumulación de agua en el talud y mejorar la eficiencia del sistema.
DISEÑO DEL SISTEMA DE SOIL NAILING:
* Predimensionamiento
En primer lugar procederemos a un predimensionamiento rápido que nos permitirá después hacer las iteraciones necesarias hasta encontrar una solución que verifique todos los cálculos normativos. Para ello pueden servir como una primera orientación los siguientes criterios:
*Longitud del bulón: Aproximadamente entre 0.7H a 1.0 H, siendo deseable que el bulón atraviese el plano de falla crítico (superficie de deslizamiento)
*Separación entre bulones: Típicamente de 1 a 2,5 m (cuanto mayor el empuje o menor la calidad del suelo, menor separación)
*Ángulo de inclinación de los bulones: Típicamente entre 5° y 20° respecto a la horizontal
*Diámetro y tipo de barra: 20 a 40 mm
* Lechada/mortero de inyección: Diámetro del taladro: 100 – 150 mm, f’c ≥ 25 MPa
*Gunita: Espesores: 7 a 15 cm, f’c ≥ 25 MPa y refuerzo con malla electrosoldada (Ø8 @20×20 cm, por ejemplo)
Una vez predimensionado el sistema lo comprobaremos por cálculo según las siguientes indicaciones.
*Cálculo del sistema de Soil Nailing
El cálculo de un sistema de Soil Nailing debe contemplar los diferentes mecanismos de rotura posibles:
Siendo generalmente los más determinantes los siguientes:
- a) y b) Estabilidad global: Comprobaremos la estabilidad global mediante el método de Bishop o similares y con ayuda de algún software específico como “GEO 5-Muro Clavetado” que se cumple el factor de seguridad mínimo (Generalmente entre 1,2 y 1,8 según la normativa aplicable y la fase constructiva de la excavación):
En el análisis de estabilidad global contaremos únicamente los efectos estabilizadores de los bulones que atraviesen la superficie de deslizamiento para el F.S. requerido y sólo la fracción de la resistencia al arrancamiento de la parte de los mismos que quede por fuera de dicha superficie:
- e) Arrancamiento del bulón: Comprobaremos que el valor de cálculo de la tracción sobre el bulón no supera la resistencia al arrancamiento del bulón y que calcularemos en función del valor de la adherencia del bulón al terreno que depende de la naturaleza del suelo y para lo cual podremos aplicar la Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera.
- f) Rotura de la armadura del bulón: Comprobaremos que el valor de cálculo de la tracción sobre el bulón no supera el tope estructural a tracción del bulón
- g) Rotura a flexión de las capas de gunita: Se comprobará que dichas capas resisten con su armado de mallazo los esfuerzos de flexión generados por el empuje del terreno y la reacción del bulón, considerando la gunita como una placa elástica entre apoyos
- h) Rotura a punzonamiento de las capas de gunita: Se comprobará que dichas capas resisten el esfuerzo puntual de punzonamiento generado por las placas de reparto de los bulones
Todas estas comprobaciones pueden realizarse con bastante agilidad con programas de cálculo específicos como GEO 5- Muros claveteados, GeoStudio – SLOPE/W, Plaxis, SNAP-2 y otros.
CONCLUSIONES
El Soil Nailing es una técnica de estabilización de terrenos eficiente, económica y de rápida ejecución, ideal para taludes y excavaciones en condiciones adecuadas. Un correcto diseño geotécnico, que incluya tanto el análisis de estabilidad como la verificación de deformaciones y adherencia, es fundamental para garantizar su éxito.
Si desea un asesoramiento al respecto, puede ponerse en contacto RRG INGENIEROS a través de:
SOLICITE PRESUPUESTO PARA ASESORAMIENTO ESTRUCTURAL
