“EMPUJES DE TIERRAS”
Curso: “Geotecnia Superficial”
Docente: Ing. Angeles Bazan, Richard Eduardo
Integrantes:
Burgos Pimpinco, Guillermo
Huaman Cieza, Alexander
Jiménez Castañena, Rodrigo
Mego Marín, Leonardo
Murillo Asencio, Richard
Rodríguez Vargas, Antony
Vásquez Vaca, Yoel
Zelda Terrones, Milton
INTRODUCCIÓN
Los empujes de tierras, también conocidos como empuje activo y pasivo, son fuerzas horizontales generadas
por la presión del suelo contra una estructura de contención, como un muro de contención o una excavación.
Estas fuerzas son fundamentales en la ingeniería civil y estructural, ya que pueden afectar la estabilidad y el
diseño de las estructuras. El empuje activo se produce cuando el suelo empuja la estructura hacia afuera,
mientras que el empuje pasivo actúa en sentido contrario, proporcionando estabilidad a la estructura.
Comprender y calcular adecuadamente los empujes de tierras es esencial para diseñar estructuras seguras y
eficientes que puedan resistir las fuerzas del suelo.
En cuestión de estudios los muros de contención son estructuras que llevan años de historia; desde las mas
antiguas civilizaciones crearon templos, contrafuertes y murallas, basadas a simple lógica en cubrir una
necesidad primaria. Los muros de contención como estructuras contenedoras de algún material presentan
diversos diseños y muchas tipologías ya sea por su forma, función, modo de interacción entre otras.
Básicamente podemos decir que un muro de contención no solo retiene un material sino también delimita una
parte de otra, contiene fuerzas y empujes y contrarresta esfuerzos aplicados a la misma estructura.
OBJETIVOS
General
✓ Explicar de manera detallada sobre Empujes de Tierras
Específicos
✓ Describir los tipos de empujes y teorías científicas sobre Empujes de tierras.
✓ Mencionar las estructuras de contención, asimismo la selección del sistema de
contención.
✓ Explicar un ejercicio relacionado al tema relacionado.
DESARROLLO DEL TEMA
Estructuras de Contención
TIPOS DE EMPUJES A CONSIDERAR
SOBRE UNA ESTRUCTURA DE
CONTENCIÓN
EMPUJE ACTIVO
Se produce este tipo de empuje cuando la estructura de contención se desplaza o gira hacia el exterior y
por tanto, el terreno se descomprime. Presenta un valor mínimo respecto a los otros dos empujes de
terreno. Se aplica, por ejemplo, a muros en ménsula donde existe libertad de movimiento.
(Vargas, 2020)
Cálculo empuje activo
El empuje activo ka de tierras puede definirse como la
resultante de los empujes unitarios σ´a según las
siguientes fórmulas:
(Vargas, 2020)
EMPUJE PASIVO
Este empuje se produce cuando el elemento de contención se desplaza o rota hacia el interior del terreno
y, por tanto, lo empuja y comprime. Al contrario del anterior, presenta unas condiciones de empuje
máximo. Se usa, por ejemplo, en muros anclados y tesados contra el terreno.
(Vargas, 2020)
Cálculo empuje pasivo
De forma análoga al empuje activo, el empuje pasivo Pp
se define como la resultante de los empujes unitarios σ´p y
se puede calcular siguiendo las siguientes fórmulas:
(Vargas, 2020)
EMPUJE EN REPOSO
Se trata de un estado intermedio a los anteriores empujes donde la estructura prácticamente no sufre
deformación y el empuje es similar al del estado tensional del terreno inicial. Es de aplicación, por
ejemplo, en muros de sótano o marcos donde se impide el desplazamiento de la estructura
(Vargas, 2020)
Cálculo Empuje en reposo
En este caso, es un poco más difícil de determinar ya que el coeficiente de empuje en reposo depende
del estado tensional del suelo debido a los esfuerzos tectónicos a los que haya sido sometido el
terreno y al grado de consolidación.
No obstante, como aproximación y a falta de más información geotécnica podrían emplearse las
siguientes formulaciones:
(Vargas, 2020)
TEORÍA EMPUJE DE TIERRAS:
COULOMB
En esta teoría Coulomb supone que la superficie de falla es un
plano. La fricción de la pared se ha tenido en consideración. Los
principios generales de la deducción de la teoría de Coulomb de la
presión para un relleno sin cohesión (resistencia al corte definido
por la ecuación
)
Considerando que (Braja Das, 2001):
AB es la cara posterior del muro de contención que retiene un suelo
granular cuya superficie tiene una inclinación α con la horizontal.
BC es la superficie de falla, lo que da lugar a la formación de la cuña de
falla ABC
β es el ángulo de inclinación de la superficie de falla BC.
W es el peso efectivo de la cuña de suelo.
F es la resultante de las fuerzas cortante y normal sobre la superficie de
falla BC, la cual está inclinada un ángulo ϕ respecto a la normal al
plano BC.
𝐸𝑎 es el empuje activo sobre el muro. La dirección 𝐸𝑎 de está inclinada
un ángulo δ respecto a la normal a la cara del muro
δ es el ángulo de fricción entre el suelo y el muro.
δ= 2/3 ϕ ó δ = 1/2 ϕ
Caso activo
Sea AB la cara posterior de un muro de contención que
soporta un suelo granular cuya superficie está
constantemente inclinada en un ángulo α con la horizontal.
BC es una superficie del plano de prueba de falla.
Suponiendo que la estabilidad de la cuña ABC
probablemente falle, las siguientes fuerzas están
involucradas (por unidad de longitud de la pared):
Caso pasivo
La figura (a) se muestra un muro de contención con
un relleno inclinado no cohesivo similar al
considerado en la figura(a) anterior. El polígono de
fuerzas para el equilibrio de la cuña ABC para el
estado pasivo se muestra en la figura (b). Pp es la
notación para la fuerza pasiva.
Método de Rankine para Empuje Activo
Las hipótesis usadas son:
✓ Modelo de plasticidad perfecta.
✓ Criterio de rotura de Mohr Coulomb; τ = c´+ σn tgΦ´
✓ σv constante
✓ Trasdós vertical (α=90)
✓ No hay rozamiento muro-terreno (δ=0)
✓ La dirección del empuje es siempre paralela a la
superficie libre del terreno
Los empujes calculados están en equilibrio con
un estado tensional tangente, que no excede el
criterio de rotura en todos los puntos del terreno.
Representan entonces una cota inferior para la
carga de colapso (da el valor mayor de la cota
inferior).
Se usa fundamentalmente para
predimensionamiento.
Aplicable también a suelos con cohesión
A tensión vertical constante (σv es la tensión principal
máxima), en el estado límite activo, la rotura se producirá
cuando la reducción de la tensión horizontal haga que el
círculo de Mohr sea tangente con la recta τ = c´+ σn tgΦ´
Método de Rankine para empuje activo
TERRENO NO COHESIVO HORIZONTAL DRENADO
Método de Rankine para empuje activo
Terreno cohesivo horizontal drenado
•Aparecen tensiones negativas (tracciones) hasta una
determinada altura hc debido al fenómeno de la cohesión.
•El efecto de la cohesión es muy favorable porque reduce
extraordinariamente los empujes
•Es habitual no tener en cuenta este efecto positivo
(despreciar la cohesión), ya que variaciones de la
humedad o heterogeneidades del terreno pueden hacer
que los empujes reales sean mayores que los
considerados
Método de Rankine para empuje activo
Terreno no drenado
Puede aplicarse lo enunciado anteriormente, en
condiciones no drenadas se tomará:
Se trabajará en tensiones totales
Empuje pasivo según Rankine
Terreno no cohesivo horizontal drenado
Las hipótesis usadas son:
–Modelo de plasticidad perfecta
–Criterio de rotura de Mohr Coulomb; τ = c´+ σn tgΦ´
–σv constante.
–σh principal mayor.
–Trasdós vertical (α=90)
–No hay rozamiento muro-terreno (δ=0)
–La dirección del empuje es siempre paralela a la
superficie libre del terreno
Empuje pasivo según Rankine
Terreno cohesivo horizontal drenado
Terreno cohesivo horizontal no drenado
Estructuras de Contención - Como
Elegir la Mejor Alternativa
Las Estructuras de contención son consideradas en las
intervenciones de taludes inestables o potencialmente inestables,
ya que los proyectistas muchas veces nos encontramos ante el
dilema de qué tipo de estructura elegir para garantizar la
estabilidad de una ladera o talud artificial
➢ Investigación geotécnica exhaustiva
en Estructuras de contención.
➢ Evaluación de la situación particular
de Estructuras de contención:
➢ Requisitos generales de diseño:
Tipos de Estructuras de Contención
Atendiendo a su comportamiento estructural:
RÍGIDAS: Cumplen su función sin cambiar de forma. Ello
implica que sus movimientos serán prácticamente de giro y
desplazamiento del conjunto, sin que aparezcan deformaciones
apreciables de flexión.
MUROS
TABLESTACADOS
FLEXIBLES:
Cumplen
su
función
deformaciones apreciables de flexión.
experimentando
PANTALLAS
CONTINUAS
❑ Se llama estructura de Contención
Rígida la que no cambia de forma bajo
la acción de empujes del terreno.
❑ En caso contrario se dice que la
Estructura Es Flexible.
❑ Al proyectar estructuras el ingeniero
debe asegurase que no se produzca
colapso o fallas en las estructuras.
Clasificación de las Estructuras de Contención
Estructuras de Contención de Acuerdo
con el Movimiento de Tierras
¿Qué son las contenciones de tierra?
Las contenciones de tierra son elementos constructivos rígidos o flexibles que tienen como
principal función contener algún material, normalmente suelo. Es decir, servir de resistencia
a los esfuerzos producidos por el terreno, así como posibles sobrecargas y transferirlos de
forma segura a las cimentaciones y al terreno competente.
Las contenciones de tierra pueden estar formadas de hormigón, suelo reforzado, acero, roca,
pilotes u otros materiales.
Partes de un muro de contención
Muros de hormigón en masa
Se organizan en grandes volúmenes, que lógicamente
generan pesos importantes. Este tipo de muros
funcionan contrarrestando el empuje de tierras
mediante el peso propio y el rozamiento que genera
en su contacto con el suelo. El más claro ejemplo de
esta tipología de muros es una presa de un
aprovechamiento hidroeléctrico.
Muros de Gaviones
consisten en mallas metálicas moldeadas como
recipientes o jaulas rectangulares donde se introducen
piedras relativamente pequeñas.
Las contenciones con gaviones son muy comunes en las
carreteras, espacios públicos y márgenes de ríos, debido a
que tienen la cualidad de permitir que las aguas de lluvia
puedan drenar sin necesidad de la instalación de equipos
adicionales.
Muros de escollera
Son muros formados por bloques de gran tamaño de rocas.
Su carácter flexible, su rapidez de ejecución, pero sobre
todo su bajo impacto ambiental, los hacen muy adecuados
para contenciones en obras lineales.
No deben considerarse los muros de escolleras como una
simple acumulación de piedras, ya que tienen que cumplir
una serie de condicionantes, tanto geométricos como
mecánicos para ofrecer un funcionamiento adecuado.
Muros de suelo reforzado
Este tipo de mecanismo de contención consiste en realizar
muros de tierra con alto contenido de gravas e introducirles
armaduras metálicas, geotextiles o mallas, que les brinden la
cohesión adicional necesaria para que el suelo sea capaz de
soportar los esfuerzos provenientes de los empujes del terreno.
Muro a gravedad armado
Este tipo de muro se apoya en la fuerza de gravedad para
mantenerse estable y contener el suelo detrás de él, están hechos
de tal forma que tanto el hormigón como la armadura de acero,
actúan en conjunto y resistan los esfuerzos actuantes. Son
ampliamente utilizados en numerosas aplicaciones, como la
construcción de carreteras, puentes y edificios, entre otros.
La geometría más habitual es la denominada forma de T (un
alzado, con una zapata que dispone de puntera y talón), que
logra su estabilidad gracias a las dimensiones de su zapata, de
tal manera que el peso del suelo que descansa sobre la misma en
el trasdós del alzado, ayuda a resistir el vuelco y aumenta las
fuerzas de fricción en la base, mejorando de esta forma la
seguridad del muro al deslizamiento.
Muros pantalla continuos
se trata de un sistema de cimentación profunda o de
contención que se emplea en determinadas
circunstancias, como la presencia de un suelo poco
estable, nivel freático alto, consiste en ejecutar un muro
de hormigón armado utilizando al terreno como
encofrado y sin ningún tipo de base horizontal, son
especialmente útiles en excavaciones de varios sótanos
sumergidas bajo el nivel freático.
El muro se va construyendo por tramos, pantallas, para
evitar que los empujes de las tierras o de las
edificaciones colindantes acaben por colapsar la
excavación.
Las paredes de la excavación durante el proceso
constructivo del muro se mantienen estables gracias a la
aplicación de lodos bentoníticos.
Muros pantalla pilotes
Son muros de contención discontinuos que pueden ser utilizados en
situaciones de difícil acceso o excavaciones profundas con suelos
propensos a inestabilizarse como los suelos granulares. Las pantallas de
pilotes consisten en colocar una fila de pilotes de hormigón en distintas
posiciones con una perforadora vertical o pilotadora. Este tipo de
pantallas según la disposición de los pilotes, es decir, según la distancia
entre sus ejes, se pueden clasificar en pantalla de pilotes separados,
tangentes o secantes.
EJERCICIO
El muro de contención presenta un relleno de suelo
con cohesión c= 2.0 tn/m2, determine el empuje
pasivo total por longitud unitaria y su ubicación por
el método Rankine. Hallar también la presión total en
el fondo del muro. Además el suelo soporta sobre su
superficie una sobre carga de 1 tn/m2 .
DATOS:
• H=6.0m
• y = 1.92 tn/ m3 - Peso específico.
• O=15°
RESOLUCIÓN
En conclusión, los empujes de tierras son fuerzas horizontales
significativas que deben ser consideradas en el diseño y la
construcción de estructuras de contención. La comprensión de los
principios de empuje activo y pasivo es crucial para garantizar la
estabilidad y la seguridad de las estructuras frente a las presiones del
suelo. Calcular y mitigar adecuadamente los empujes de tierras es
esencial para evitar fallos estructurales y garantizar la durabilidad a
largo plazo.
BIBLIOGRAFÍA
Acuña, et al. (2012). Estructuras de Contención. Obtenido de:
https://es.slideshare.net/johannaximena1/muros-de-contención.
Berrios, (2013). Estructuras de Contención. Obtenido de:
https://es.slideshare.net/jorgeberrios7737/estructuras-de-contencion-a.
Cortes, et al. (2021). Estructuras, Materiales y Geotecnia, Eadic. Obtenido de:
https://eadic.com/blog/entrada/estructuras-de-contencion-como-elegir-la-mejor-alternativa/.
Prado, (2015). Diseño y cálculo de estructuras de contención. Obtenido de:
https://www.cartagena99.com/recursos/alumnos/apuntes/17.%20Tema%205%20Muros%20y%20Pantallas%20Bloque%20I.pdf.
Vargas, (2020). Slideshare. Obtenido de Slideshare: https://es.slideshare.net/cesarvargas58/empuje-detierras-sobre-muros
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