La comprobación del sifonamiento en pantallas

Ya estamos de vuelta de las “vacaciones”. Desde Estructurando os deseamos un aterrizaje suave y sin incidencias. Nosotros venimos con muchas ideas para nuevos e interesantes post, nuevos cursos que anunciaremos en breve…

Como primer post de vuelta, os presento un tema refrescante, que tenga que ver con el agua. Hoy vamos a hablar de cómo verificar el sifonamiento en pantallas, o en general, en elementos de contención.

Lo primero que vamos a contar es en qué consiste el sifonamiento.

Cuando realizamos una excavacion en un terreno saturado y por debajo del nivel freático, el agua tenderá a llenar la excavación hasta ir a la cota superior del fréatico. De hecho si interpusieramos una cimentación, ésta debería de soportar la subpresión debida al empuje del agua, como diferencia entre la cara inferior de la cimentación y el nivel del freático.

Pues bien, esta filtración del agua en el terreno puede producirse con más o menos velocidad en función de diversos parámetros. Puede darse el caso en que la velocidad de circulación del agua sea muy elevada y se produzca el arrastre de partículas y la rotura brusca del fondo de nuestra excavación. Esto es lo que conocemos como sifonamiento.

Si alguna vez teneis la mala suerte de encontrarlo, lo identificareis porque en un momento teneis una fuente y al momento siguiente una piscina.

La forma de prevenir esto es bombear el fondo de la excavación, de forma que se produzca el rebajamiento del nivel freático; siempre con las debidas precauciones de cara a estructuras cercanas.

El sifonamiento se puede verificar con ciertas garantías de seguridad. Si acudimos al Código Técnico, en la parte de cimientos, concretamente el Art. 6.3.2.2.2.8, nos dice que si el gradiente real en un sentido vertical en un determinado punto (ir) no supera al gradiente crítico minorado del terreno (icr), tendremos verificada la seguridad frente al sifonamiento, es decir:

Y hasta aquí nos empezamos a echar a temblar porque ya estamos buscando los apuntes de hidráulica de la carrera, porque el CTE, en virtud de que las normas no son libros de texto, no nos cuenta nada más.

Pero que no cunda el pánico, si acudimos a la ROM 05-05, el tema viene un poco más extenso. En su artículo 3.4.6 nos indica cómo obtener el coeficiente de seguridad anterior como cociente entre el peso específico sumergido del terreno y el producto del gradiente real ir o de salida por el peso específico sumergido, es decir:

y además nos indica que el gradiente de salida ir viene dado como el cociente entre el exceso de presión intersticial bajo la punta de la pantalla y su profundidad t de empotramiento de la pantalla:

 

Siendo el exceso de presión intersticial:

Con los significados geométricos de la figura siguiente:

Siendo:

Con k2/k1 la relación de permeabilidades del terreno.

Para aclarar lo anterior, podemos hacer un ejemplo sencillo:

Supongamos que el cálculo de una pantalla nos da unos valores de empotramiento de t=6 m para una excavación de hs=6 m.

Supongamos también que el nivel freático aflora prácticamente en la superficie de la coronación de la pantalla y que el terreno es homogéneo en toda la excavación con un peso específico saturado γsat=20 kN/m3 con una permeabilidad en su parte superior k1=0.01 m/s (entrada) y en su parte inferior (salida) k2=0.0001 m/s. La separación entre la pantalla y la opuesta es B=15 m.

Por tanto la pantalla cumpliría con el coeficiente de seguridad de 2 y no sería necesario profundizar más.

Hay que tener especial cuidado con la situación de que exista un estrato con menor permeabilidad cercano al pie de la pantalla ya que las presiones de agua pueden resultar mucho mayores a la obtenida.

Espero os haya parecido interesante y os pueda servir en alguna ocasión.


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Ingeniero Industrial. Consultor de estructuras.

8 Responses to La comprobación del sifonamiento en pantallas

  1. Buenos días:
    Muy buen aporte, pero quería hacer una puntualización. Hay un error en la relación K2/K1 (es 0,06 en lugar de 0,6) en el ejemplo propuesto, que prácticamente no afecta al resultado final por estar dentro de una raiz cúbica.
    Un saludo y enhorabuena por el blog.

  2. Jose Luis Arias Riera dice:

    Bueno, nos habéis contado en que consiste el sifonamiento pero no del todo sus efectos. Evidentemente nos encontraremos con una piscina cuyo agotamiento habrá que dimensionar, pero geotécnicamente ¿la pantalla no se ve afectada?¿Podemos tener asientos o desplazamientos de la misma por la circulación del agua?¿Hay algún riesgo estructural por este motivo que haya que preveeer?

    Mi enhorabuena por el blog

    • Sergio dice:

      Si se da el sifonamiento la pantalla se va a ver afectada. Se pueden dar asentamientos y hasta el colapso del muro pantalla.
      La forma de solucionarlo es preveerlo en la etapa de diseño, adoptando un empotramiento adecuado.

  3. Jose Luis Arias Riera dice:

    La rotura brusca del fondo del fondo de excavación ¿no avisa de ninguna forma? Si los cálculos no son realistas, ¿hay forma previa de controlar en obra que eso va a fallar? ¿Caudales agotados frente a estimados, movimientos previos? gracias

    • Manuel Martín dice:

      El sifonamiento se produce cuando el peso del material bajo el fondo de excavación no es suficiente para compensar la presión hidrostática que se produce por la diferencia de niveles de agua en el trasdós e intradós de la pantalla. La presión efectiva se vuelve cero o negativa; y el fondo de la excavación se convierte en arenas movedizas, que se tragan todo, maquinaria pesada incluida. Por supuesto, la zona empotrada de la pantalla pierde “aguante” por lo que la pantalla puede volcar y caer hacia la excavación.

      En recintos cerrados y/o apuntalados a varios niveles la pantalla puede resistir, dependiendo de los apoyos y sus cálculos. Pero yo no me la jugaria, pues el material está alterado y desplazado, y los cálculos dejan de ser representativos.

      Según la permeabilidad del material del fondo de la excavación, donde se empotra la pantalla, el sifonamiento se produce más o menos rápido. Los avisos que yo he visto consisten en que el fondo de la excavación pierde la consistencia; andar sobre él se vuelve pesado y sobre todo peligroso (a las malas, si te pilla, intenta mantenerte a flote nadando lentamente).

  4. Ali Reyes dice:

    Excelente aporte. Muy conveniente a la hora de trabajar en suelos saturados o con altos niveles freaticos.

  5. Manuel Martín dice:

    “La forma de prevenir esto es bombear el fondo de la excavación, de forma que se produzca el rebajamiento del nivel freático”
    NO, NO y NO. Precisamente al bombear se produce la diferencia de presiones en el fondo de la excavación que produce el sifonamiento.
    Creo que mejor quisiste decir “es bueno rebajar el nivel freático EN EL TRASDÓS” de las pantallas, si bien con cuidado de no rebajarlo en las zonas bajo las cimentaciones de edificios cercanos.

    Otra solución es poner peso en el fondo de la excavación (por ejemplo, una losa de hormigón) que compense la diferencia de presiones.

    Las diferentes permeabilidades afectan a la velocidad con la que se produce el sifonamiento; en arenas, muy rápidamnete (pocas horas o minutos); en limos y gravas cosa de horas o pocos días. De hecho un estrato impermeable de arcilla donde empotra la pantalla puede impedir el sifonamiento, puesto que no hay transmisión de la presión hidráulica entre ambas partes de la pantalla.

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