Mecanica De Suelos

1. Introducción

En este presente trabajo damos a conocer los cálculos previos para el diseño de un muro y los esfuerzos actuantes en los túneles.

El concepto de obra subterránea hace referencia a cualquier espacio construido bajo tierra, actividad del hombre que data desde el tiempo antiguo y que en la actualidad se viene difundiendo con un fuerte ritmo debido a los alcances tecnológicos para su construcción y por las necesidades mismas de infraestructura vital de todos los países.

La mayoría de las estructuras subterráneas del país están localizadas en las áreas urbanas, quedando un reducido porcentaje limitado a las centrales hidroeléctricas, túneles de transporte y espacios subterráneos estratégicos. El desarrollo permanente de la infraestructura de servicios de las grandes ciudades del mundo, hace necesaria la utilización cada vez más frecuente de su espacio bajo superficie.

En las zonas urbanas, las obras lineales subterráneas más significativas son: las canalizaciones y conducciones de agua, los túneles para redes eléctricas, telefónicas y de datos, las redes matrices de gas y los túneles de transporte. Obras que son de primordial importancia, pues ellas garantizan el funcionamiento de la ciudad.

Los túneles son de gran ayuda para la sociedad y gracias a la ingeniería se podido llegar a muchas soluciones a grandes problemas que ahora en la actualidad nos ayudan a que las personas ahorren un factor que es de mucha importancia el tiempo y el desarrollo de un país.

2. MECANISMO DE FALLA

Descripción del mecanismo de falla Antes de comenzar a excavar el túnel existe en la masa de suelo una condición de esfuerzos naturales en equilibrio. Cuando se comienza a excavar se genera una alteración del estado inicial de esfuerzos que da paso a un nuevo estado de esfuerzos y deformaciones en la masa de suelo que rodea al frente y la periferia del túnel, si el suelo no es capaz de soportar estos cambios colapsara el frente y propagándose hasta la superficie del suelo, en el caso que el túnel sea superficial. En la masa de suelo afectada por la descarga de esfuerzos del frente se distinguen tres zonas con diferentes patrones de deformación (Fig. 5.1), los cuales se engloban en un mecanismo de falla simplificado.

D = Ancho del túnel

A = Altura del túnel

H = Profundidad de la clave

L = A tan (45°-ɸ/2)

a = Tramo sin soporte

Mecanismo de falla simplificado

Prisma 1: Se forma delante del frente y tiene la forma triangular de una cuña de Coulomb

Prisma 2: Es rectangular y se apoya sobre la cuña del frente.

Prisma 3: Es rectangular y se localiza sobre la clave de la zona excavada sin soporte.

Las dimensiones de estos prismas están condicionadas por la geometría del túnel, las propiedades mecánicas del suelo y la longitud excavada sin aporte. Para analizar el equilibrio de este mecanismo de falla del frente, se exponen las fuerzas que intervienen:

1. Fuerzas actuantes. Por una parte, las fuerzas internas, dadas por los pesos de los prismas que tienden a producir el movimiento descendente del conjunto, cuya magnitud se determina fácilmente en función del volumen de los prismas y el peso volumétrico del suelo. Por otra, las fuerzas externas, que pueden o no estar presentes, como: la sobrecarga superficial producida por el peso de las estructuras existentes en la superficie del terreno o por el tránsito de vehículos o maquinaria de construcción, así como las presiones interiores ejercidas sobre el frente y la clave, aplicadas por aire comprimido o por escudos de frente presurizado, o por tableros apoyados en gatos hidráulicos de capacidad conocida.

2. Fuerzas resistentes. Son derivadas de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y se desarrollan en las caras de los prismas rectangulares y en el prisma triangular, al desplazarse éstos hacia abajo. Su magnitud depende, en el caso más general de la cohesión y del ángulo de fricción del suelo, así como la intensidad y distribución de los esfuerzos de compresión horizontales que actúan sobre las caras de los prismas, inducidos en la masa de suelo que rodea a la cavidad, al hacer la excavación.

3. ESFUERSOZ ACTUANTES EN TUNELES

La distribución de esfuerzos alrededor del túnel:

• Se estima a través de la Teoría de la Elasticidad

• Los resultados están sometidos a objeciones

• La masa del suelo o roca, están siempre en un estado de esfuerzos constantes

• Se omite alteraciones de esfuerzos debido a la temperatura, fuerzas tectónicas y agua, etc.

La abertura del túnel:

 Produce cargas adicionales en algunas zonas alrededor del túnel y de alivio en otras áreas

 Las alteraciones de esfuerzos se puede considerar que son unidireccionales

 Se considera que el material es comportamiento elásticamente durante la fase inicial, hasta cierta carga limite.

 El comportamiento elástico en la fase inicial después de la excavación de la abertura, es totalmente justificada.

Los esfuerzos son dependiente del tiempo:

 Los Esfuerzos debido a la deformación lateral, creep relajación de las rocas o suelos, ocurrencia de deformación plástica, etc.

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3.1 Teorías de la Elasticidad para cálculos de esfuerzos.

• Teoría de kirsch

• Aplicada a una abertura circular

• Para profundidades mayores de diez veces el diámetro del túnel.

Se apoyó en la función de Airy, y encontró para una abertura circular en un plato infinito (fig. 1)

Expresiones de los esfuerzos en un plano perpendicular al eje de la exvcavacion expresada en coordenadas polares.

Cuando no se considera el esfuerzo horizontal

Dónde:

Esfuerzo vertical que produce el peso del material por encima del túnel.

Esfuerzo tangencial que existe en cualquier punto del perímetro o dentro de la masa de material que rodea al túnel

Esfuerzo radial que existe dentro de la masa de material que rodea el túnel.

Esfuerzo cortante dentro de la masa de material que rodea en túnel.

Angulo que forma la línea radial con la horizontal.

Radio del túnel.

Radio que permite la ubicación de un punto dentro de la masa de material.

Cuando

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