Sistema Transmilenio: Estaciones - Calle 146, Mazurén y Toberín, ubicadas en la Autopista Norte, en Bogotá D.C. - Grupo 2


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1 11.1 GENERAL 11 ESTUDIO DE LA CIMENTACiÓN De acuerdo con las condiciones del terreno descritas, el perfil del subsuelo se puede considerar homogéneo en los emplazamientos de las tres estaciones. Superficialmente existe un relleno de entre 2,5 y 3,0 metros de espesor, y por debajo, limos y arcillas muy plásticos de consistencia baja o muy baja. El nivel freático se encuentra superficial, prácticamente en el contacto entre el relleno superior y los suelos cuaternarios. En la siguiente imagen se reproduce una sección tipo del vagón con las principales dimensiones (en milímetros). Ilustración 22 Vagón tipo de proyecto Puede observarse que la plataforma se encuentra sobre apoyos situados lateralmente, separados a distancias variables de 7,2 y 4,8 metros. Se nos han facilitado las siguientes cargas representativas de la estación de Toberín. Se nos ha indicado que la configuración del resto de vagones es similar, así como sus cargas. Inicialmente se muestra un esquema con la distribución de los apoyos a los cuales se hace posteriormente referencia en la Tabla i I f7 p- 564 ~ _~3 ;578- -f~6 f <{ -r 'i' 1- en. f tsj6 _ ]? F -1- I l5i4 Mayo de

2 15 i I 16 I 17! I 18 I! 19 i i i '22 I 123 I i 24 i I! 27 I 128 i '29 I -r T T T T T T ~T--1Ó80~=t2~ 85---, T--=C-- I r- I T T T T -~- 1 I ~59r: 92 I I I I I -1=--= r-- I I J54~! IS~6~r- 4B-d i I I I I -fss,--h:-s8 I APOYO No Tabla 11 Apoyos y desglose de cargas en vagón tipo COMBINACiÓN DE DESGLOSE DE CARGAS (kn) CARGAS COMCIMl CARGA CARGA VIVA (1D+1l) kn MUERTA (O) (L) ,84 28,71 44, ,21 41,56 81, ,70 43,68 83, ,60 44,46 83, ,53 39,82 68, ,37 25,09 55, ,92 29,16 55, ,89 31,19 66, ,68 36,26 79, ,12 46,48 83, ,11 29,87 55, ,58 16,75 17, ,28 31,93 45, ,78 48,13 84, ,40 35,21 79, ,79 38,56 80, ,91 35,90 69, ,87 25,38 55, ,90 32,78 55, ,85 37,51 69, ,70 43,73 82, ,62 41,73 81, ,65 28,07 54, ,89 15,31 17,58 Mayo de

3 CONSORCIO ESTACIONES CONTRATO No Como puede observarse, las cargas muertas debidas al peso de la estructura se sitúan entre 1,5 Y 5,0 Toneladas por apoyo. Las sobrecargas de uso o cargas vivas son proporcionalmente muy elevadas, entre 2,0 y 8,5 Toneladas por apoyo. La combinación de ambas proporciona valores de entre 3,0 y 13,0 toneladas aproximadamente por apoyo. Las cargas totales serían de unas 83 Tn las muertas, y unas 150 Tn las cargas vivas. En los siguientes Apartados se presentan y justifican las recomendaciones de cimentación y en el Anexo 4 se adjuntan las hojas con los cálculos realizados ESTIMACiÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE DEL TERRENO Condiciones a corto plazo Se ha calculado la capacidad portante del terreno a partir de la siguiente ecuación propuesta por Terzaghi, que define la carga última. qh= CN c + ydn q + O,5yBN y Donde, qh: carga última. e: cohesión de terreno (C u ). N e, N q, N y : factores de capacidad de carga que dependen del ángulo de rozamiento interno del terreno. En este estudio se han considerado los valores propuestos por Brinch-Hansen, definidos por las siguientes ecuaciones. 1 + Sencf IrIM N = xe ~ 1- Sencf N, = 1,5' (N~- 1)' tg cf B: anchura de la cimentación. y: densidad del terreno. D: profundidad de cimentación. La ecuación anterior admite una serie de coeficientes de forma que permiten incrementar ligeramente los valores de carga de hundimiento obtenidos. En este cálculo no se han tenido en cuenta estos coeficientes, lo que nos permite a efectos prácticos, tener en cuenta en el cálculo las condiciones ligeramente más desfavorables situadas por debajo de unos seis metros. Mayo de

4 CONSORCIO ESTACIONES CONTRATO No Teniendo en cuenta que el contenido medio de arena en las muestras ensayadas (despreciando los valores máximos) se sitúa en torno del 3%, se considera que el cálculo de carga de hundimiento se debe realizar con fricción nula, es decir, condiciones de "corto plazo" o condiciones "no drenadas". Por este motivo, se decide el empleo de valores de resistencia al corte "no drenada", obtenidos en los ensayos realizados con el penetrómetro de bolsillo, en lugar de los proporcionados por los ensayos de corte directo. En estos últimos, se han obtenido valores de fricción entorno a 9 0, lo cual, desde nuestro punto de vista, parecen elevados para una situación "no drenada". Finalmente, en el cálculo se han asumido los siguientes parámetros del terreno: Densidad (y): 1,50 Tn/m 3 Cohesión (Cu): 1,0 Tn/m" Fricción (<1»: 0 Nc: 5,14 Ny: O Nq: 1 A partir de esta formulación se observa que la carga última es independiente de las dimensiones de la zapata. En estas condiciones, la carga que se obtiene para una cimentación apoyada a un metro de profundidad es de: qh = 1Tn/m 2 x 5,14 + 1,50 Tn/m 3 x 1,0 m = 6,64 Tn/rn" Considerando los criterios de la NSR-10, Apartado HA. 7.1, la carga admisible para zapatas apoyadas a un metro de profundidad sería de: Tabla 12 Presión admisible. Coeficientes de seguridad Condición Carga última Fs1cp (Kg/cm 2 ) Mínimo Carga admisible (Kg/cm 2 ) Carga Muerta + Carga Viva Normal 3,0 0,22 Carga Muerta + Carga Viva Máxima Carga Muerta + Carga Viva Máxima + Sismo de diseño Seudo estático 0,66 2,5 0,26 1,5 0,44 Estos valores deben considerarse únicamente como una referencia, ya que el condicionante de asientos es el que realmente determina la carga admisible a considerar en el diseño. Como se puede observar, la estimación de carga última se ha efectuado para condiciones "no drenadas"; es decir, sin contribución del ángulo de fricción del Mayo de

5 suelo. Esta hipótesis es la adecuada en el cálculo de presiones de cimentación y se encuentra dentro del lado conservador del diseño. Como es conocido, una vez aplicadas la carga, en el terreno se produce una disipación de las presiones intersticiales que se traducen en una progresiva disminución de los parámetros cohesivos, a la vez que se incrementa la contribución de los relacionados con la fricción del material. A efectos prácticos, esto se traduce en un incremento de la carga última del suelo. En el siguiente Apartado se presentan los resultados de los asientos previsibles; lógicamente, en la definición de cargas se deberán tener en cuenta estos valores. El cálculo se ha realizado para cimentaciones apoyadas a un metro de profundidad en la cual aún se encuentran rellenos. En el Apartado de Conclusiones se proponen unas recomendaciones sobre el tratamiento de este material Condiciones a largo plazo Aplicando el mismo procedimiento anterior, y empleando los parámetros resistentes en condiciones drenadas, resultan las siguientes cargas últimas para diferentes dimensiones de cimentación: Tabla PROF. DE ANCHURA (m) EMPOTRAMIENTO (m) 13 Valores de carga de rotura CARGA DE ROTURA (Qh) (Kg/cm 2 ) 0,5 1,0 3,29 1,0 1,0 3,47 1,5 1,0 3,65 2,0 1,0 3, ESTIMACiÓN DE ASIENTOS Según se ha explicado en el Apartado de caracterización del terreno, los niveles arcillosos, a pesar de tener una consistencia muy baja, presentan una cierta sobreconsolidación, al menos en los metros más superficiales. Por debajo de unos ocho metros de profundidad, esta sobreconsolidación parece disminuir y el terreno se puede asimilar a una arcilla normalmente consolidada. Se ha efectuado una estimación de asientos con ayuda del programa Settle 3D del paquete informático Rocscience; el cálculo se ha realizado mediante el Mayo de

6 modelo edométrico. Se han considerado los siguientes parámetros de compresibilidad deducidos de los ensayos de consolidación lenta realizados: Nivel superior (0,0-6,0 m de profundidad) Ce: 0,90 e, 0,09 ea: 1,80 OCR: Hasta 8,0 m de profundidad: OCR=1, 15; por debajo, OCR=1 A partir de estos valores, de las cargas de hundimiento obtenidas en el apartado anterior (corto plazo) y de las cargas de la estructura, inicialmente se ha realzado el ejercicio de analizar los asientos que se producirían para una cimentación superficial mediante zapatas. Se ha considerado una carga admisible de 0,2 Kg/cm 2 y zapatas cuadradas de 1x1, 1,5 x 1,5 Y 2x2 metros. Los resultados obtenidos han sido los siguientes: Tabla 14 Relación entre las dimensiones de la cimentación, la carga unitaria y los asientos Dimensiones de la cimentación (m) Carga unitaria (kg/cm 2 ) Zapata cuadrada Asientos (cm) 1,Ox1,0 0,2 4,0 1,5x1,5 0,2 5,0 2,0 x 2,0 0,2 5,5 A continuación puede verse la salida gráfica de una de la zapata considerada: Ilustración 23 Cálculo de asientos en zapata cuadrada de 2 x 2 m Mayo de

7 A partir de las magnitudes obtenidas se ha descartado la opción de zapatas cuadradas aisladas. A continuación se ha considerado la opción de una cimentación corrida constituida por una viga, suficientemente rígida en su diseño estructural, que reparta uniformemente las cargas transmitidas por los apoyos. Como cargas totales se han considerado las transmitidas por los apoyos de cada lado; 41 Tn de carga muerta y 77,5 Tn de carga viva, en total unas 120 toneladas en cada lateral de la estación. Suponiendo una zapata corrida de un metro de ancho, para una longitud de estación de 67 metros, la carga unitaria que resulta, supuestamente repartida de manera uniforme por un elemento con suficiente rigidez estructural, sería de 0,19 kg/cm 2, del mismo orden que la admisible calculada a corto plazo. Esta carga corresponde en un 35% a cargas permanentes (peso de la estructura) y el resto, a temporales o cargas vivas. Teniendo en cuenta que el proceso de carga al terreno será lento, primero se transmitirá la carga debida al propio peso de la estructura y el resto de carga se producirá de manera muy ocasional en el tiempo. Las condiciones de estabilidad global frente a rotura del terreno estarían garantizadas. En relación a los asientos, se han obtenido valores de unos tres centímetros como asiento total para la máxima magnitud de carga considerada (0,19 kq/crrr'). Si se desglosa este valor, los asientos debidos al peso propio de la estructura (83Tn) serían del entorno del centímetro, y el resto, hasta unos tres centímetros, serían los asientos ocasionados por las cargas vivas, muy elevadas, consideradas en el diseño. Mayo de

8 Ilustración 24 Cálculo de asientos a partir de cargas vivas Ilustración 25 Cálculo de asientos a partir de cargas muertas Como asientos diferenciales se ha considerado que la viga se diseña estructuralmente para que absorba las diferencias de carga de los apoyos, de manera que la carga que se transmita al terreno sea uniforme. No obstante, Mayo de

9 en los extremos de la viga se pueden producir deformaciones diferenciales que conviene tener en cuenta en el diseño. De acuerdo con los análisis efectuados, en los extremos de cada viga (aproximadamente los siete últimos metros de cada lado), los asientos evolucionan entre el máximo, unos tres centímetros, y el mínimo de un centímetro. A la vista de estos resultados, se recomienda la adopción de esta solución de cimentación superficial mediante zapata corrida, con un mínimo de un metro de ancho, empotrada al menos un metro de profundidad MÓDULODE REACCiÓNVERTICAL El módulo de balasto Ks se define como el coeficiente entre la presión vertical, q, aplicada sobre un determinado punto de un cimiento directo y el asiento, s, experimentado por dicho punto. k:s-- - q S Siendo: q= 0,19 kg/cm 2 y s=3,0 cm. Por tanto el módulo de reacción resultante es Ks=0,06 Kg/cm 3 para una cimentación tipo zapata corrida de dimensiones 67 m x 1 m. Mayo de

10 12 CONCLUSIONES A modo de resumen del presente Estudio pueden destacarse los siguientes aspectos: Desde el punto de vista geotécnico los tres emplazamientos son similares; se encuentran sobre suelos fluvio-iagunares blandos y altamente compresibles. Recubriéndolos se sitúan rellenos antrópicos de entre 2,5 y 3,0 m de espesor. El nivel freático se localiza prácticamente en el contacto entre ambas unidades. Se ha llevado a cabo el estudio de la cimentación para un vagón tipo de 67 m de largo por 5 m de ancho, diseñado para las tres estaciones de proyecto. Como cargas totales se han considerado las transmitidas por los apoyos de cada lado; 41 Tn de carga muerta y 77,5 Tn de carga viva, en total unas 120 toneladas en cada lateral de la estación. Después del análisis realizado, se recomienda adoptar una solución de cimentación superficial mediante zapatas corridas de ancho 1,0 m y 67 m de longitud, empotradas 1,0 m en el terreno. Como presión admisible de cimentación se puede considerar 0,2 kg/cm 2, con unos asientos máximos previstos de tres centímetros. Respecto a los asientos diferenciales, éstos evolucionan entre el máximo, unos tres centímetros, yel mínimo de un centímetro. Como módulo de balasto vertical, se recomienda considerar un valor de k, de 0,06 kg/cm 3. En relación con los rellenos superficiales, es conveniente su saneo y sustitución por material granular compactado, tipo rajón, hasta la cota de apoyo estructural de la cimentación. Adoptando una cimentación mediante zapata corrida, se podría plantear una sustitución tan solo parcial. No obstante, se debería asumir el riesgo de que se produzca algún asiento diferencial que se estima de pequeña magnitud. En cualquier caso, la solución que se adopte debe garantizar un mínimo de un metro de material sustituido por rajón bajo la cota de la cimentación prevista estructuralmente. Mayo de

11 13 OTRAS CONSIDERACIONES A continuación se comentan varios aspectos complementarios a tener en cuenta en el proyecto, desde el punto de vista geotécnico: Para el cálculo de empujes sobre estructuras de contención enterradas, se pueden adoptar los siguientes parámetros propios de un relleno del trasdós granular: o Densidad: 1,80 Tn/m 3 o Cohesión: 0,0 Tn/m" o Ángulo de fricción: 30 Como taludes provisionales de excavación se pueden adoptar los siguientes: Tabla 15 Taludes de excavación recomendados Altura excavación (m) Talud provisional <1,0 m Vertical 1,0-2,Om 1,5(V)/1(H) 2,0-3,0 m 1(H)/1 (V) >3,0 m A estudiar En excavaciones superiores a 2,5 m se pueden producir afluencias de agua hacia la excavación aunque se estima que el caudal de afluencia será reducido teniendo en cuenta la baja permeabilidad del terreno. Todas las excavaciones situadas a menos de tres metros de una construcción, se deberán ejecutar con un talud 1(H)/1 (V). Para profundidades de excavación superiores a tres metros se debería realizar un estudio específico. Mayo de

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