Criterios y parámetros de diseño para pantallas continuas en Madrid

Abstract

Muchos estudios a nivel mundial se han llevado a cabo con el objeto de analizar las deformaciones que sufre el terreno al amparo de una excavación, cuyas principales conclusiones han estado enfocadas en estimar el orden de magnitud de los máximos desplazamientos, tanto horizontales como verticales, experimentados por el terreno y la estructura, así como también, la influencia que han podido tener sobre las edificaciones adyacentes. Actualmente, se emplean diferentes métodos de cálculo para estimar los movimientos de las estructuras que sostienen las paredes de una excavación, siendo los programas de cálculo basados en elementos finitos los de mayor uso. La contrastación de las hipótesis planteadas durante la fase de Diseño para el cálculo de los movimientos, con los valores reales producidos durante la ejecución de una obra, ha venido a ser posible con la implementación de planes de auscultación y control de movimientos, materializados mediante la instrumentación geotécnica. Uno de los principales dispositivos de control de desplazamientos horizontales empleados a nivel mundial, lo constituyen los inclinómetros introducidos en las estructuras o en el propio terreno, dependiendo del objeto del estudio. Dentro de las interrogantes planteadas al momento de contrarrestar los resultados obtenidos de las lecturas efectuadas en terreno a través de los inclinómetros y las hipótesis planteadas durante la fase de Proyecto, una de las más importantes la constituye el grado de confianza de los parámetros geotécnicos empleados en la modelación numérica o cálculo. De esta manera, y de acuerdo a todo lo expuesto anteriormente, es que la presente Tesis Doctoral ha planteado como objetivo principal el establecer criterios y parámetros de diseño para la construcción de pantallas continuas en Madrid, que se ajusten en mejor medida al comportamiento de obras ejecutadas. Para ello, en primer lugar se ha efectuado una revisión bibliográfica que ha permitido analizar aspectos generales del diseño de estructuras de contención flexibles, estudiando los principales modelos de cálculo que existen y emplean para la construcción de pantallas continuas de hormigón armado. Esto ha permitido conformar un capítulo completo relacionado con el Estado del Arte. Una vez conocidos los aspectos relevantes del diseño de pantallas, se ha efectuado la simulación numérica con dos programas de cálculo para dos casos, que han permitido establecer una metodología de modelación a ser empleada, posteriormente, en casos reales. El primer ejemplo ha correspondido a una pantalla en voladizo, mientras que el segundo, a una pantalla con un nivel de apoyo. Como resultado de ello, se ha podido obtener una comparación entre ambos programas y las primeras observaciones de carácter teórico que han servido posteriormente en la aplicación de los casos reales. La metodología empleada durante las simulaciones numéricas ha sido aplicada, posteriormente, a 16 pantallas instrumentadas geotécnicamente y que han pertenecido al Plan de Ampliación y Construcción del Metro de Madrid durante los años 2003 y 2007, concretamente, a la nueva red de Metronorte, cuya información ha sido proporcionada por la Unidad de Seguimiento, Auscultación y Control (USAC) de MINTRA. A partir de los modelos de cálculo y las simulaciones numéricas, se ha podido efectuar la predicción del comportamiento de las pantallas. De esta manera, tras la aplicación de los programas de cálculo RIDO Vs. 4.01 y PLAXIS 2D - Vs. 8.0 se han podido estimar los movimientos horizontales de las pantallas, los cuales han servido para efectuar la comparación con los valores obtenidos en terreno. Para obtener la información de los desplazamientos horizontales experimentados por las pantallas, ha sido necesario visitar y mantener un contacto permanente con dichas obras instrumentadas geotécnicamente, las cuales han sido facilitadas por uno de los Directores de la Tesis. De esta manera, se ha podido participar en los aspectos generales de la instrumentación empleada en las estaciones de Metronorte (inclinómetros), tales como la recogida de datos en terreno, su procesamiento, análisis e interpretación, estudiando, además, las posibles fuentes de error que permitiesen obtener resultados más fiables. Tras la comparación entre lo observado en campo, en cada una de las campañas geotécnicas realizadas en las obras instrumentadas, y las predicciones que se han efectuado sobre la base de las modelaciones numéricas, se han ajustado los parámetros mecánicos y resistentes considerados en la etapa de diseño, para los diferentes materiales encontrados en las zonas donde se han construido las pantallas, de modo que se ha podido establecer una correlación entre los resultados proporcionados por la instrumentación geotécnica y las hipótesis consideradas en la etapa de diseño. Finalmente, se han obtenido los parámetros mecánicos y resistentes mediante un análisis retrospectivo, donde se han comprobado y modificado los modelos según las observaciones realizadas. De acuerdo a esto último, y gracias a la comparación de las simulaciones numéricas con la instrumentación instalada, se han podido validar los parámetros mecánicos del terreno recomendados por los profesores Oteo y R. Ortiz para las distintas obras del Metro de Madrid, llegando a establecer en función del modelo empleado durante la etapa de Proyecto, criterios de cálculo para el diseño de pantallas continuas en los suelos de Madrid. Es importante mencionar que la presente investigación sólo ha abordado el estudio de los muros pantalla empleados en la construcción de obras subterráneas, a partir de la cual se han podido concluir ciertas recomendaciones y parámetros de diseño válidos únicamente para los terrenos de Madrid y sus condiciones hidrogeológicas. No obstante, estudios que consideren una metodología semejante a la empleada para responder a objetivos similares a los planteados en esta Tesis, pueden ser perfectamente aplicadas dichas recomendaciones a suelos diferentes a los considerados en esta investigación. ABSTRACT Many studies have been developed worldwide with the purpose of analyze the deformations induced in the soil behind and diaphragm walls due to excavations, in which the main conclusion are oriented to estimate the maximum likely displacement, horizontal as well as vertical, endured by the soil and the retaining structure and its influences on adjacent buildings. Different calculation methods are currently used to estimate the deformations on earth retaining structures, being the finite element procedure the most common for this application. The comparison of the hypothesis stated during the Design stage for the calculation of displacements, with the real values produced during the Project stage, has come to be feasible with the implementation of exploration programs and displacement control, carried out through geotechnical instrumentation. One of the most common devices used to control horizontal displacements are the inclinometers embedded in the structures or in the soil, depending the purpose of the study. Among the most relevant aspects in the comparison of the results obtained experimentally with inclinometers and the hypothesis stated during the Project stage is the degree of certainty of the geotechnical parameters used in the numerical simulations or calculus. Therefore, and according to all the expressed above, the main objective of the Doctoral Thesis presented herein is to define design criterion and parameters for the construction of continuum diaphragm walls in Madrid, that better predict the behaviour of the structures. For that purpose, in the first place, an extensive documentation research allowed to analyse the general aspects in the design of flexible retaining structures, studying the fundamental calculation models that exist and are used for the construction of reinforced concrete diaphragms walls. This enabled to complete a chapter on the State of the Art. Once the relevant aspects of the design of wall diaphragms is known, a numerical simulation was performed with two software and two different cases, which allowed to establish the modelling methodology to be used forwardly in real cases. The first case consisted in a cantilever wall, while the second case in a pinned diaphragm wall. As a result of that, a comparison between the software was made and the first theoretical observations were assessed for its application in real cases. The methodology used during the numerical simulations has been applied, afterwards, to 16 diaphragm wall with geotechnical instruments that belong to the Program of Expansion and Development of the Madrid Underground during the years 2003 to 2007, and specifically to the Metronorte layout. The comparison between the numerical simulation with the experimental results, lead to the validation of the mechanical parameters of the soil recommended by Oteo & R. Ortiz for the different facilities of the Madrid Underground, and establish as a function of the model used during the Project stage calculus criterion for the design of continuum diaphragm walls in the soils of Madrid.