Instalación de conducciones en zanja inducida en terraplén: La teoría

En este texto se pretende abordar un tipo de instalación singular, la zanja inducida en terraplén, que consigue básicamente en una reducción muy importante de las cargas exteriores que actúan sobre la conducción.

Se analiza por una parte y de forma superficial, la teoría que sustenta este tipo de instalaciones y su comparación con el comportamiento de tuberías colocadas en zanja, en terraplén o en zanja terraplenada.

En una segunda parte, se distinguirá la aplicación práctica de esta técnica y finalmente las recomendaciones que a nuestro juicio hacemos sobre este tipo de instalaciones. Son sugerencias más restrictivas de las teóricas necesarias pero que entendemos básicas.

La aplicación más importante de la zanja inducida es sobre tubería rígida y en terraplenes de gran altura. En caso de tubería flexible su comportamiento tanto en zanja como en terraplén se asemeja a una zanja inducida incompleta y no suele requerir este tipo de técnicas de reducción de cargas.

La teoría

Como vamos a tratar exclusivamente de tuberías rígidas y de alturas con rellenos considerables, siempre superiores a los 4 m, las cargas móviles de superficie no van a afectar sensiblemente a la tubería.

Por lo que la forma más intuitiva de apreciar el efecto de la zanja inducida, será mediante las teorías clásicas que Marston y Spangler desarrollaron entre los años 1920 y 1930. A estos efectos, la tubería rígida es aquella que soporta las acciones exteriores sin apenas deformación, con lo cual es la propia sección de la tubería la que aguanta los esfuerzos de flexión.

Según la formulación de Marston, la carga producida por el relleno sobre la tubería se puede obtener mediante una expresa función del prisma de tierra que tiene encima.
Si llamamos al peso del terreno sobre el tubo P por metro lineal de conducto, este será:

P=γ*B*H

Donde:
γ : Peso específico del relleno.
H: Altura de relleno sobre el tubo.
B: Anchura efectiva de relleno a la altura de la clave del tubo.

La carga en cada caso será:

W=C*P

Siendo C el coeficiente de Marston de cada instalación. Es el parámetro que se estudiará a continuación.

En instalaciones en zanja, el coeficiente de Marston es inferior a 1 ya que al intentar deformarse el relleno se encuentra con la oposición del terreno natural ya consolidado; se produce un esfuerzo cortante por rozamiento del relleno contra el terreno natural.

Parte de la carga se transmite por efecto arco a las paredes de la zanja. Por tanto, la carga a transmitir es inferior al prisma que gravita sobre el tubo.

En la instalación en terraplén el coeficiente de Marston es superior a la unidad. El relleno, que es deformable, tiene mayor altura en los laterales que sobre el tubo y esa deformación provoca un rozamiento negativo entre el prisma superior y los prismas laterales, aumentando la carga.

Este incremento no es indefinido ya que una vez superada la altura del plano de igual asentamiento la carga no se transmite entre los distintos prismas y el coeficiente de Marston será de valor 1; la carga será a partir de ese punto igual al peso del prisma de tierras.

La singularidad de la zanja inducida en terraplén

Marston, estudiaba las cargas sobre tuberías rígidas y a la vez consideraba otros tipos de instalaciones que permitieran la reducción de la carga total, como lo es la zanja terraplenada; el otro tipo, es la denominada zanja inducida en terraplén. El invento consiste en lo siguiente:

Parte del hecho de transferir carga a los prismas laterales a través de un arco de descarga. De modo que, si abro un hueco sobre el tubo y lo relleno de “nada” formaré un arco de descarga completo, ninguna carga llegará al tubo. Pero será imposible rellenar de “nada”

Ahora bien, definiendo por “casi nada” un elemento mucho más deformable que el relleno general, un material que haga de muelle y evite en lo posible la carga al tubo.

Consiguiéndose así una reducción muy importante de las cargas que gravitan sobre el tubo, ya que estas se transmiten a través de otro material muy deformable que se colgará, además del resto del relleno. Obteniendo por tanto un coeficiente de carga mínimo.

Al compactar las capas superiores la transmisión a la clave del tubo a través del material muy deformable es reducida. Para ello la literatura técnica habla del uso de materia orgánica, paja, aserrín, ramaje, etc.; existen estudios recientes con espuma de poliuretano, isocianato o poliestireno expandido, aunque no se tienen registros cercanos donde se implementen, por lo que solo disponemos de estudios académicos al respecto.

Enlaces de interés:

Todas las formulaciones aplicables al sistema e instalación, se pueden encontrar en este enlace:
ATHA. (2019). ASOCIACIÓN DE FABRICANTES DE TUBOS DE HORMIGON ARMADO. Recuperado de https://www.atha.es/atha_archivos/prg%20calculo/frames.htm y https://www.construmatica.com/construpedia/Tuber%C3%ADas_de_Hormig%C3%B3n:_Instalaci%C3%B3n_en_Zanja_Inducida_en_Terrapl%C3%A9n

En este vídeo se explica la aplicación práctica del programa de cálculo de la ATHA (Asociación de fabricantes de Tubería de Hormigón Armado) y ANDECE. El video está presentado por José Rodriguez Soalleiro:
Andece Prefabricado Hormigon. (Productor). (2019). Ejemplo de cálculo de tubos de hormigón en instalación en zanja inducida en terraplén [YouTube].

Este artículo muestra la puesta en marcha de la teoría vista: Ejecución de una zanja inducida en terraplén: La práctica: Casillas, V. (Sin Año). Instalación de conducciones en zanja inducida en terraplén. Recuperado de https://cidta.usal.es/cursos/tuberias/PDFs/Unidad%204/U4C1/T08.12.pdf

En este artículo se realizan recomendaciones y conclusiones acerca de esta estructura: Recomendaciones adicionales y conclusiones: Zanja Inducida en terraplén: Casillas, V. (Sin Año). Instalación de conducciones en zanja inducida en terraplén. Recuperado de https://cidta.usal.es/cursos/tuberias/PDFs/Unidad%204/U4C1/T08.12.pdf

En este artículo R.K. Taylor expone la teoría de la zanja inducida en terraplén. Al final aparece una discusión de Spangler sobre la cuestión: R. K. Taylor. (Sin Año). INDUCED-TRENCH METHOD OF CULVERT INSTALLATION. Recuperado de: https://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/hrr/1973/443/443-002.pdf

Autor: Víctor Flórez Casillas, docente del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas de EADIC.