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[ 99Revista de la ConstrucciónVolumen 10 No 3 - 2011

 Application of two design

 procedures and analysis

of displacements of

continuous diaphragm walls

in the Madrid metro

Aplicación de dos

modelos de cálculo parael diseño de pantallas

continuas en el metro de

Madrid y análisis de sus

desplazamientos

Autores

SANHUEZA, C.

OTEO, C.

Pontificia Universidad Católica de Chile

Universidade da Coruña - España

Fecha de recepción

Fecha de aceptación

01/11/2011

15/11/2011

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 100 ]Revista de la ConstrucciónVolumen 10 No 3 - 2011

páginas: 99 - 109  [  ]Sanhueza, C. - Oteo, C.

 Abstract 

Resumen Este artículo presenta los principales re-sultados de la aplicación de dos modelos

de cálculo al diseño de muros pantalla enel metro de Madrid, los cuales correspon-den a: Método de reacción del terrenobasado en el espacio de Winkler, en elcual se efectúan los cálculos por mediodel programa RIDO; y el Método de ele-mentos finitos, a través del programaPLAXIS. Posteriormente, se analizan losmovimientos de la pantalla obtenidos de

This article presents the results fromtwo design procedures performed oncontinuous diaphragm walls of theMadrid Metro. The first case is based ona soil reacting on a Winkler space and wasimplemented in RIDO; the second case isbased on the Finite Element method and

was implemented on PLAXIS. Site data wascollected at the Metronorte line duringthe 2003-2007 Metro Extension Project inMadrid, and the results were compared tonumerical predictions. This study validatedthe soil parameters proposed by R. Ortizand C. Oteo (2003).

ambos programas de cálculo y se compa-ran con los resultados de la instrumen-

tación geotécnica implementada en losmuros pantalla de la red de Metronorte,la cual pertenece al Plan de Ampliación yConstrucción del Metro de Madrid lleva-da a cabo durante los años 2003 y 2007.Con los resultados obtenidos se validanlos parámetros geotécnicos de los suelosde Madrid propuestos por R. Ortiz y C.Oteo en el año 2003.

Keys words: Calculation models, diaphragm wall, displacements.

Palabras clave: Modelos de cálculo, muro pantalla, desplazamientos.

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  [  ]páginas: 99 - 109 [ 101Revista de la ConstrucciónVolumen 10 No 3 - 2011

Sanhueza, C. - Oteo, C.

Introducción

Muchos estudios se han llevado a cabo a nivel mundialcon el objeto de analizar las deformaciones que sufre elterreno al amparo de una excavación, cuyas principalesconclusiones han estado enfocadas en estimar el ordende magnitud de los máximos desplazamientos, tanto ho-rizontales como verticales, experimentados por el terrenoy la estructura, así como, también, la influencia que hanpodido tener sobre las edificaciones adyacentes.

Actualmente, se emplean diferentes métodos decálculo para estimar los movimientos de las estructurasque sostienen las paredes de una excavación, siendolos programas de cálculo basados en elementos finitoslos de mayor uso.

La contrastación de las hipótesis planteadas durantela fase de diseño para el cálculo de los movimientos,

con los valores reales producidos durante la ejecuciónde una obra, ha venido a ser posible con la implemen-tación de planes de auscultación y control de movi-mientos, materializados mediante la instrumentacióngeotécnica.

Uno de los principales dispositivos de control de des-plazamientos horizontales empleados a nivel mundial,lo constituyen los inclinómetros introducidos en lasestructuras o en el propio terreno, dependiendo delobjeto del estudio.

Dentro de las interrogantes planteadas al momento decontrarrestar los resultados obtenidos de las lecturasefectuadas 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 deconfianza de los parámetros geotécnicos empleadosen la modelación numérica o cálculo.

De esta manera, y de acuerdo a lo expuesto ante-riormente, es que el presente artículo ha planteadoel aplicar dos modelos de cálculo, uno basado en elmétodo de reacción del terreno mediante el uso delprograma RIDO Vs. 4.01; y otro basado en elementosfinitos a través del cálculo por medio del SoftwarePLAXIS 2D – Vs. 8.0.

Con los resultados obtenidos de ambas modelaciones,en las cuales se han utilizado muros pantallas pertene-

cientes a la red de Metronorte de Madrid, se han podidocomparar los desplazamientos producidos durante laconstrucción de estas obras instrumentadas geotécnica-mente y validar los parámetros resistentes de los suelosde fundación encontrados en el sector norte de Madrid,mediante un análisis retrospectivo basado en el métodoobservacional (Zimmerer y Schanz, 2006).

Es importante mencionar que el presente artículocorresponde a la continuación de una investigaciónllevada a cabo entre los años 2004 y 2008, a partirde la cual se han presentado los primeros resultadosen otro artículo de esta misma Revista (diciembre de

2009).

Modelos de cálculo para el diseñode pantallas continuas

Actualmente se emplean varios de los métodos decálculo desarrollados históricamente, tales como:métodos empíricos y métodos basados en modelosteóricos; métodos que consideran el comportamientoen servicio de la estructura (métodos de equilibriolímite); y métodos que consideran el comportamientode la estructura en el momento de la falla. A partir delos años 70, se incorporan a este grupo los métodos

basados en elementos finitos. Todos estos métodosson descritos en otro artículo de los mismos autores(Sanhueza y Oteo, 2007).

De los métodos anteriores, se han seleccionado dos:Método de reacción del terreno basado en el espaciode Winkler, en el cual se efectúan los cálculos pormedio del programa RIDO Vs. 4.01; y Método deelementos finitos, a través del programa PLAXIS 2D– Vs. 8.0.

El programa RIDO fue desarrollado en Francia parala construcción de su primera línea subterránea y,actualmente, es un programa de cálculo ampliamenteusado.

En este programa, la presión de tierras, que es con-siderada separadamente sobre cada lado del muro,tiene una ley de reacción de tipo lineal, limitada porlas presiones activa y pasiva, comportándose en for-ma irreversible cuando estos límites son alcanzados(Kastner et al., 1993). La relación entre presión y des-plazamiento está dada por el módulo de reacción delterreno K  y por una relación de histéresis entre cargay deformación (Masrouri et al., 1995).

El cálculo sigue, fase por fase, la secuencia de traba- jos y las condic iones particulares de fuerzas internasdebidas al comportamiento irreversible del suelo enalgunos casos, junto con la incidencia de los cambiosde geometría durante la instalación de elementos deapoyo y cargas adicionales.

El cálculo elastoplástico de los elementos es llevado acabo sobre un modelo cuyas hipótesis se centran en elespacio de Winkler. Además, el programa realiza unacomprobación de la estabilidad global de la estructura,

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páginas: 99 - 109  ]Sanhueza, C. - Oteo, C.

indicando el valor del empuje pasivo movilizado conrespecto al pasivo disponible en cada una de las etapasde cálculo, valor que sirve de referencia para estimarun nivel de seguridad de la obra.

El algoritmo de resolución consiste en una adaptaciónoriginal del método PRIMAL-DUAL aplicado a la pro-gramación cuadrática, en la que la energía elástica esuna función cuadrática de variables.

Las ventajas del programa es que permite introducir losparámetros Ka, Kp y Ko para casos especiales (métodode Culmann); hace diferencias en cuanto al momentode construcción de las sobrecargas en el trasdós de lapantalla y permite variar el módulo de elasticidad encualquier etapa.

Por otra parte, el avance en los medios computacio-nales ha permitido la introducción actual de nuevosprogramas para el cálculo de pantallas, los cuales estánbasados en métodos de elementos finitos. Estos pro-gramas tienen en cuenta la interacción suelo-estructuray proporcionan buenos resultados del comportamientode la pantalla, teniendo en cuenta el efecto arco quese produce entre la pantalla y el terreno.

Para el caso en estudio se ha utilizado el programaPLAXIS creado en la Universidad de Delft, el cual sebasa en elementos finitos bidimensionales que permi-ten realizar análisis de deformación y estabilidad deproblemas geotécnicos. El programa permite modelarlos diferentes componentes del problema mediante unconjunto de elementos discretos, conectados entre sía través de puntos comunes denominados nodos.

Para efectuar los cálculos se han seleccionado dosmodelos de comportamiento: el modelo de Mohr-Coulomb, para obtener una primera aproximación; y elmodelo elastoplástico con endurecimiento (HardeningSoil). Este modelo considera la rigidez del suelo enforma más precisa que el de Mohr-Coulomb, puestoque el cálculo se basa en tres rigideces diferentescomo datos de entrada: la rigidez triaxial en carga,por medio del módulo de deformación secante (E 50);la rigidez triaxial en descarga, a través del módulo dedeformación de descarga-recarga (E ur ); y el módulo dedeformación obtenido del edómetro (E oed ).

Presentación de los casos estudiadosen el metro de Madrid

Las pantallas instrumentadas y cuyos movimientoshan sido controlados corresponden a 16 casos 100%operativos que pertenecen al metro de Madrid, con-cretamente, a la red denominada Metronorte. Esta red

constituye una nueva línea con un total de 15.737 mde longitud, conformada por un total de 11 estacio-nes construidas con muros pantallas, beneficiando auna población aproximada de 184.000 personas. Lasobras han sido iniciadas en octubre del año 2004 y

han sido puestas en servicio en la primavera de 2007(Sanhueza y Oteo, 2009).

El sistema constructivo de estas obras considera, enprimer lugar, la ejecución de las pantallas, de espesor1 m y profundidad variable (entre 20 m y 30 m), ylas pilas-pilote. A continuación, se construye la losade cubierta de espesor aproximado 1,20 m, la cualpermite reponer todo lo que existe en superficie,incluyendo el tránsito vehicular. Posteriormente, serealiza la excavación entre pantallas, construyendo a suvez los niveles intermedios de losas y/o estampidoresnecesarios hasta la ejecución de la contrabóveda, loscuales tienen espesores entre 0,80 m y 1 m.

En la tabla 1 se presenta un resumen de las pantallasestudiadas y los desplazamientos máximos obtenidosal final de la excavación para la losa de contrabóveda(última fase de excavación).

Tabla 1. Resumen de pantallas estudiadas y losmovimientos experimentados

Estación PantallaDesplazamiento

horizontal máximomedido en campo (mm)

Estación 2 P38P54P65

10,225,46

(0,91 medido en la

fase anterior)

Estación 3 P6P15P27P56

4,898,803,787,83

Estación 4 P5P45P52

12,6714,5516,69

Estación 5 P10

P21P35

23,06

14,4711,28 (medido enla fase anterior)

Estación 6 P8P29P50

15,9313,849,14

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  [  ]páginas: 99 - 109 [ 103Revista de la ConstrucciónVolumen 10 No 3 - 2011

Sanhueza, C. - Oteo, C.

Aplicación de los modelos de cálculoal diseño de las pantallas continuas

en el metro de Madrid

En la primera parte de la modelación se ha empleadoel programa de cálculo RIDO Vs. 4.01, mientras queen la segunda parte, el programa PLAXIS 2D - Vs. 8.0.Para efectuar los cálculos ha sido necesario establecerdeterminadas hipótesis, con el fin de efectuar la poste-rior comparación con los desplazamientos horizontalesmedidos en campo a través del uso de inclinómetros.

Hipótesis 1: Cálculo de empujes basados en la teoríade Rankine, en la cual se ha considerado, además,que el rozamiento entre pantalla y terreno es nulo(d/f = 0).

Esta hipótesis se basa en las recomendaciones efec-tuadas por Schneebeli en 1974 y en el empleo de la

teoría de Rankine en la cual se supone un diseño con-servador, en que se tiende a reducir el empuje activomientras que aumenta el pasivo (Ortuño, 2005).

La ROM 0.5-94 en la tabla 3.7.1 sugiere un valor nulode rozamiento, para paramentos perfectamente lisoscomo el caso de las pantallas hormigonadas contraterreno, pero con uso de lodos bentoníticos. Lo cuales corroborado en el Código Técnico de la EdificaciónEspañola (CTE, 2006).

En el caso del programa RIDO, esta hipótesis se hatraducido en el empleo de un valor de d/f, tanto parael caso activo como pasivo, de cero. Mientras que enel caso del programa PLAXIS, debido a las condicioneshidrológicas que obligan al empleo de una interfaz,que permita dar ciertas condiciones de impermeabi-lidad a la pantalla al estar en contacto con el agua,se ha empleado un valor de resistencia de la interfazequivalente al menor posible que no interfiriese en losprocedimientos de cálculo del propio programa. Paraello, se han empleado valores de R inter comprendidosentre 0,05 y 0,1.

Hipótesis 2: Empleo de los parámetros geotécnicospropuestos por los profesores C. Oteo y J. RodríguezOrtiz en el año 2003 (Sanhueza y Oteo, 2009).

Los parámetros resistentes c’ y f’ fueron variados

dentro de un rango consistente con la naturaleza dedichos materiales. Esta variación ha sido resultadode análisis de sensibilidad en el cual también fueronincluidas las variaciones de la constante de balastohorizontal del terreno y del módulo de deformación.Sin embargo, y de acuerdo a la experiencia de otrosautores (Schanz, 1998; Calvello & Finno, 2002, 2004,

2005; Zimmerer & Schanz, 2006; Kastner et al., 2007),la variación del ángulo de rozamiento del terreno encomparación con el resto de los parámetros geotécni-cos, ha sido el que mayor influencia ha presentado enlos resultados de los análisis de sensibilidad.

Hipótesis 3: Estado de tensiones iniciales del terreno.

Dado que K0 depende de la historia tectónica del ma-terial y de factores como la cementación, diagénesis yexpansividad, entre otros (Rodríguez Ortiz, 2000), sehan propuesto valores del coeficiente de empuje enreposo en el área de Madrid entre 0,4 y 1,8, corres-pondiendo los valores inferiores a los rellenos, aluvialesy arenas de miga, mientras que los más altos seríanaplicables a toscos y peñuelas.

Estudios efectuados por el CEDEX, mediante presió-metros autoperforadores en el tosco, revelaron valoresde K0 comprendidos entre 2 y 2,5. Estos datos puedenestar sujetos a discusión debido, fundamentalmente,a que de ser ciertos habrían provocado estados ten-sionales anormales en muros pantalla.

Investigaciones sobre los sistemas y parámetros geo-técnicos de diseño durante la ampliación del metrode Madrid entre 1999 y 2003, sugirieron emplearvalores de K0 = 0,8 en materiales terciarios (Oteo etal. , 2003).

De esta manera, se han considerado las recomendacio-nes del profesor C. Oteo para los materiales presentesen la zona en estudio, salvo para el caso de los rellenosantrópicos, en los cuales se ha mantenido la relación

propuesta por Jaky en función del ángulo de friccióndel material (K0 = 1 - senf’).

Hipótesis 4: Cálculo de rigidez en determinadas losaspor métodos clásicos para vigas empotradas.

Simulación numérica mediante el programa RIDO Vs. 4.01

De acuerdo a las curvas de desplazamientos horizon-tales de las pantallas medidas en campo, se ha podidoobservar que en determinados casos los empujes delterreno sobre la pantalla a la altura de las losas decubierta, e incluso algunas de vestíbulo, era bastante

mayor que lo que podría indicar el cálculo teórico pormétodos de equilibrio límite. Esto ha llevado a plan-tearse la necesidad de reducir o acortar entre 1 y 2mm el ancho de las losas entre pantallas.

Algunos autores que han estudiado esta situación,como la influencia de la temperatura o la secuencia

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páginas: 99 - 109  ]Sanhueza, C. - Oteo, C.

de hormigonado seguida durante la construcción delos apoyos (Oteo et al., 1988; Batten & Powrie, 2000;Boone & Crawford, 2000), han concluido que cuandose coloca el hormigón, este ejerce una presión sobre lapantalla menor a la del terreno, con lo cual el apoyo

trabaja menos en forma temporal. Por otra parte, al pro-ducirse una carga axial residual en la losa y al aumentarla tensión horizontal del terreno debido al peso delhormigón, el apoyo no trabaja al 100% de su capacidadde diseño, pudiendo llegar a valores subestimados delorden del 30% (Boone & Crawford, 2000).

De esta manera, se ha efectuado la modelación conuna función especial que ha permitido considerar elacortamiento de la losa, ya sea para simular el efectode la retracción, o bien, por causas específicas decarácter ingenieril, arquitectónico o constructivo deesta, en la cual la losa no queda en contacto directocon la pantalla.

Una vez ingresados los datos estructurales y geomé-tricos de la pantalla en estudio, se han especificadolos materiales presentes en el trasdós de la estructura

 junto con sus propiedades geotécnicas y la pos icióndel nivel freático.

Para el cálculo de la rigidez de los diferentes elemen-tos, se ha considerado un módulo de deformación del

hormigón calculado según las recomendaciones delinstructivo EHE (2003), con lo cual se ha obtenido unvalor de 27.264 MPa para las pantallas y de 28.576MPa para las losas.

En la figura 1 se presenta la salida gráfica de resultadosobtenidos para las pantallas P8-P29 de la Estación 6de Metronorte.

Simulación Numérica mediante el programaPLAXIS 2D - Vs. 8.0

La simulación de cada uno de los casos estudiadosha considerado, en primer lugar, la definición delas variables de la modelación numérica: modelo dedeformación plana con 15 nodos y las condiciones deborde estándar del programa.

Figura 1. Salida gráfica de resultados en el programa RIDO

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  [  ]páginas: 99 - 109 [ 105Revista de la ConstrucciónVolumen 10 No 3 - 2011

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En cuanto al dimensionamiento de la malla, se hanconsiderado las siguientes recomendaciones: la me-nor influencia de los bordes sobre el problema enestudio, que no se produzcan puntos de plasticidadcerca de los bordes y que los movimientos próximos a

los bordes laterales sean pequeños con respecto a losque se produzcan tanto en la zona excavada como enel trasdós de la pantalla. Esto ha llevado a considerarun modelo cuyo límite inferior, medido a partir del piede la pantalla, estuviese dado por un rango entre 0,3L y 0,5 L, siendo L la longitud total de la pantalla. Encuanto al límite lateral, este ha quedado definido apartir del trasdós de la pantalla en 1,5 L (De la Fuente,2002).

En cuanto a los modelos constitutivos, se han selec-cionado dos tipos de comportamiento del terreno: elmodelo de Mohr-Coulomb y el modelo de HardeningSoil.

Hipótesis adicionales:

• Relación módulo de deformación y constante debalasto horizontal del terreno, según la formula-ción propuesta por Vésic para vigas (RodríguezOrtiz, 1982).

• Valor de dilatancia para suelos granulares equiva-lente a y = f’ – 30º (Bolton, 1986), aplicado tantoen el modelo de Mohr-Coulomb como en el deHardening Soil.

• En las modelaciones se ha empleado una relaciónentre módulos igual a E ref

ur = 2 Eref50; y Eref

oed   =

Eref

50.

En la figura 2 se presenta e l modelo de cálculo para lapantalla P5 de la Estación 4 de Metronorte.

Comparación de los modelos de cálculocon los resultados de los inclinómetros

En la tabla 2 se presenta un resumen con los despla-

zamientos horizontales máximos que se han obtenidoen cada una de las 16 pantallas analizadas con los dosmodelos de cálculo y los resultados de la instrumen-tación geotécnica.

En la figura 3 se presenta un ejemplo de las gráficasobtenidas y la comparación llevada a cabo entre losmáximos desplazamientos horizontales.

Con el fin de validar la simulación numérica de las 16pantallas de Metronorte y poder establecer un grado deaproximación entre el modelo de cálculo y los valoresreales medidos en campo, se han efectuado los gráficosque se ven en las figuras 4 y 5. A partir de ellos, sehan podido deducir, con un cierto grado de confianza

y mediante un análisis retrospectivo, los parámetrosmecánicos y resistentes de los materiales presentesen el trasdós de cada una de las pantallas analizadas.

Figura 2. Modelo de cálculo PLAXIS 

Tabla 2. Resumen de desplazamientoshorizontales máximos obtenidos en terreno y

en cada simulación numérica

Desplazamiento horizontal máximo (mm)

Pantalla RIDO PLAXIS Lectura en terreno

P38 10,06 12,13 10,22

P54 – P65 4,51 8,26 5,46

P6 5,98 9,70 4,89

P15 8,92 15,37 8,80

P27 5,90 11,66 3,78

P56 6,91 15,14 7,83

P5 14,88 19,32 12,67

P45 17,13 21,36 14,55

P52 17,85 22,92 16,69

P10 23,10 19,80 23,06

P21 13,66 13,17 14,47

P35 11,63 14,89 11,28

P8 – P29 14,94 14,53 P8: 15,93

P29: 13,84

P50 12,49 12,96 9,14

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Figura 3. Desplazamientos horizontales máximos medidos y simulados en RIDO y PLAXIS. Estación 4, Pantalla P45 

Figura 4. Comparación entre los máximos desplazamientos horizontales medidos encampo y los calculados por e l modelo teórico del programa RIDO

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A partir de la figura 4, se puede observar que existeun grado de aproximación entre lo medido en terrenoy calculado por el programa RIDO, en promedio, de un87%. Mientras que, según lo observado en la figura5, la diferencia entre los valores calculados en PLAXIS

Figura 5. Comparación entre los máximos desplazamientos horizontales medidosen campo y los calculados por el modelo teórico del programa PLAXIS 

y los medidos en terreno están, en su mayoría, fuerade la banda de ±30%. De esta manera, el grado deaproximación entre el desplazamiento máximo medidoy calculado está por debajo del 70%.

Conclusiones

Comparando los resultados obtenidos tras cada unade las simulaciones con los datos de los inclinómetroscorrespondientes a cada pantalla auscultada, se hapodido deducir que:

• La formulación de Vésic ha sido la que ha pre-sentado la mejor correlación entre KH y E50, en un44%.

• En el programa PLAXIS, los modelos de Mohr-Coulomb y Hardening Soil  se han adecuado de igualmanera al comportamiento de las obras en terreno,es decir, cada uno en un 50% de los casos.

• El grado de aproximación entre los desplazamientoshorizontales máximos medidos en terreno y los

simulados con RIDO, ha sido del orden del 87%,mientras que con PLAXIS, por debajo del 70%.

• En la figura 6 se puede observar con línea seg-mentada el rango de variación de los parámetrosmecánicos de los suelos de Madrid, empleadosen las distintas modelaciones de las pantallasde Metronorte, junto con los parámetros de losprofesores Oteo y Rodríguez Ortiz (2003). Comose puede ver, los valores de f’ recomendados vie-nen a ser los medios o algo inferiores a los queactuarían en la realidad (según la interpretación yajuste de medidas reales). En cuanto a la cohesión,la variación de c’ deducida de valores reales esconsiderable, estando los valores recomendadospor Rodríguez y Oteo del lado inferior, lo que haceque dichas recomendaciones no puedan calificarsede “atrevidas”.

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páginas: 99 - 109  ]Sanhueza, C. - Oteo, C.

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