TEORIA Y DISEÑO DE ANCLAJES

1. Electiva I: Software Aplicado
a la Geotecnia
Universidad de Santander UDES CORTE XXI
ABRIL 03 Y 04 DE 2020
TEORIA DE ANCLAJES Y DISEÑO
ING. CIVIL, ESP, MG, JULIAN GALVIS

2. Concepto
En las estructuras ancladas se colocan varillas o tendones generalmente,
de acero en perforaciones realizadas con taladro, posteriormente se
inyectan con un cemento. Los anclajes pueden ser pretensados para
colocar una carga sobre un bulbo cementado o pueden ser cementados
simplemente sin colocarles carga activa. J. Suarez.

4. La definición oficial internacional es la propuesta por Littlejohn (1990):
“Un anclaje es una instalación que es capaz de transmitir una carga de
tensión a un manto de soporte a profundidad”.

5. En las estructuras ancladas se colocan varillas o tendones, generalmente de
acero, dentro de perforaciones realizadas con equipo de perforación, se
inyectan con una lechada, y luego se tensionan.
Los anclajes para estabilizar deslizamientos pueden ser hincadas o
perforadas, mas comúnmente perforadas.
Los anclajes pueden ser pre-tensados para colocar una carga sobre un bulbo
cementado (“tiebacks”).
También pueden ser cementados simplemente sin colocarles carga activa
(“nails”, pernos y micropilotes).
Generalmente estos elementos se instalan sobre la cara de un muro o sobre
un elemento de concreto en el talud, elemento que transmite las fuerzas.

6. La carga de tensión se genera a través de un cable de acero (tendón) anclado
a un bulbo cementado a profundidad dentro del talud.
Los anclajes pretensados incrementan los esfuerzos normales sobre la
superficie de falla real o potencial y así aumentan las fuerzas resistentes al
incrementar la resistencia a la fricción, a lo largo de esa superficie.

9. Propiedades Anclajes para la estabilidad de taludes.
Los anclajes pre-tensados tienen la ventaja de que no son pasivos como la
estructura de gravedad sino que al pre-tensarse se les coloca una carga que
se opone a la acción del deslizamiento.
Las fuerzas de las anclas se oponen al movimiento de la superficie del talud
ayudando a proveer estabilidad contra deslizamientos.
Igualmente, la fuerza de tensión en el cable se convierte en fuerza de
compresión dentro de la masa de suelo, incrementando la resistencia al
cortante.

11. Apoyo de los anclajes sobre talud
En la estabilización de taludes estas estructuras también pueden ser
zapatas, bloques individuales o vigas superficiales para la aplicación de las
cargas de anclaje.
La técnica de utilizar
anclajes individuales
múltiples unidos cada uno
a una zapata
independiente en la
superficie del terreno, se
le denomina como “muros
de elementos”.

12. Ventajas de las anclas individuales
Las principales ventajas de las anclas individuales son:
• Pueden instalarse en superficies no uniformes con facilidad
• Se pueden utilizar elementos prefabricados.
• La construcción es más rápida si se utilizan zapatas prefabricadas
colocadas con la ayuda de grúas (retro excavadoras).

14. Desventajas de las anclas individuales
Las anclas individuales tienen las siguientes limitaciones:
• Requiere que el material en la superficie del terreno sea muy dura, para
evitar que ocurra asentamiento y pérdida de la tensión
• Es difícil sostener los bloques en pendientes fuertes mientras se colocan
y tensionan los elementos fabricados
• Generalmente, son poco atractivas visualmente
• No existe rigidez entre una y otra ancla, facilitando la falla gradual ancla
por ancla

15. Generalmente, existe un espaciamiento entre las zapatas, pero en ocasiones
estas se tocan unas a otras. A este último sistema se le denomina “muro de
bloque de anclaje”

18. Consideraciones Importantes
El bulbo debe estar localizado por detrás de las superficies reales o
potenciales de falla en un material suficientemente competente.
La profundidad requerida debe garantizar un factor de seguridad de
acuerdo a los requerimientos.
A su vez, las fuerzas de pretensionamiento generan una fuerza normal
sobre la superficie de falla.
Se tiene que hacer un análisis de estabilidad del talud antes de su
intervención, ensayos de laboratorio y modelación de la masa, para
determinar las posibles superficies de falla.
Recuerden; incluir la fuerza sísmica y el agua “ condición mas critica”.

19. Principales Fallas de los Anclajes

20. Falla del acero del tendón. Al colocarle la carga de tensionamiento el acero
del tendón recibe esfuerzos de tensión. Si la carga aplicada es mayor que la
capacidad estructural del tendón, ocurre la falla. Para evitar esto se
recomienda que la carga de diseño sobre el tendón no exceda el 60% de la
resistencia última del tendón.
Falla de la masa del suelo. Esta falla es debida a la capacidad de soporte del
suelo superficial. Si al colocarle la carga de pretensionamiento, ésta supera la
capacidad de soporte del suelo lateral, se produce un movimiento del suelo
hacia arriba. Esto ocurre especialmente en las anclas más subsuperficiales.
Así mismo, se recomienda que la primera hilera de anclajes de arriba hacia
abajo se encuentre suficientemente profunda para que la resistencia pasiva
del suelo evite la falla.

21. Falla de la unión entre el bulbo y el suelo. Los anclajes movilizan una fuerza
perímetral entre el bulbo y el suelo. La resistencia de esta interface depende
de la presión normal, de la fricción y cohesión en el perímetro del bulbo.
Falla entre el tendón y la lechada. El mecanismo de falla de la unión entre el
tendón y la lechada incluye problemas de adherencia, fricción e integración
mecánica entre el acero del cable o varilla y la lechada.
Falla de la estructura superficial. La estructura superficial puede fallar por
punzonamiento o por exceso de esfuerzos de flexión o de cortante.

22. CONSTRUCCION DE ELEMENTOS
Una vez se tenga el diseño de los elementos, su ubicación, numero de torones
(tendones) longitudes correspondientes y fuerzas de tensión, se procede con
la fase de construcción.
Pasar del papel a la vida real.

23. CONSTRUCCION DE ELEMENTOS
Objeto: Obras de geotecnia tales como, Anclajes, Pernos pasivos y Drenes sub horizontales
en las Obras de Construcción de accesos y obras complementarias para el nuevo puente de
Quebrada blanca de la carretera Bogotá – Villavicencio Ruta 4006, Departamento del Meta.
Historia del sitio. 28 de junio 1975.
….”De repente, esa tarde, visperas de San Pedro, del lado derecho de la quebrada se precipitó
el gigantesco derrumbe sobre la montaña de al frente. La tierra rugió como cuando la sacude
un temblor. La inmensa masa de material quedó encajonada y provocó una corriente de aire
que expulsó los vehículos y personas que se encontraban agolpados 300 metros abajo. Unos
volaron al fondo del precipicio y a otros los sacó del área.”…..
Campo Santo Más de 300 muertos y centenares de heridos fue el resultado de esa tragedia,
que se veía venir luego de siete derrumbes ocurridos desde mayo pasado, registró el diario El
Tiempo. Cerca de 30 vehículos, entre ellos 5 flotas de pasajeros, 15 camiones, un carro
tanque, arrobas de alimentos y decenas de reses, quedaron sepultados bajo el recién
inaugurado puente que quedó cubierto por más de 500 mil metros cúbicos de lodo. Entre las
víctimas, además de los pasajeros de los buses se encuentran nueve obreros de
mantenimiento, varios agentes de la Policía y vendedores de agua que se encontraban en el
sector de la tragedia.

26. Planeación:
• Requerimientos del sitio.
a) Ingreso al sitio.
b) Observación en busca de posibles riesgos geotécnicos.
c) Amenaza debido a condiciones sociales (FARC, ELN, y demás).
• Revisión de Dimensiones del anclaje.
a) Longitud del elemento
b) Zona libre, zona de bulbo de presiones.
c) Numero de torones, diámetros y capacidad de tensionamiento.

28. • Planeación en conjunto de metodología empleada para la construcción de
elementos, inicio y fin.

29. • Ubicación de puntos en el talud por medio de comisión topográfica
c) Ubicación de anclajes, drenes, pernos
d) Verificar altura del equipo

31. • Ejecución de perforación de elementos
a) Verificación de longitud de perforación.
b) Inclinación de perforación.
c) Diámetro de perforación.

32. • Armado e instalación de anclajes
a) Comprobar cumplimento de diseño
b) Instalación limpia y rápida

34. • Llenado e inyección de elemento
a) Llenado de elemento con lechada.
b) Inyección de elemento con lechada.
c) Tiempo de fraguado de la lechada.

35. • Tensionamiento (sistema activo)
a) Elemento por elemento.
b) Control de presión.
c) Verificación del estado de las cuñas.
d) Cargas no mayores al 80% de su capacidad total.

37. • Obras adicionales
Pernos pasivos (nails) y concreto lanzado.

44. Fotos finales

46. Diseño de Anclajes
en TALUDES VIALES
El diseño más económico y eficiente generalmente se obtiene cuando se
le permite al contratista seleccionar el tipo de anclaje, el método de
construcción y la capacidad de cada anclaje.
El diseñador debe especificar la longitud mínima libre, la longitud mínima
total y la capacidad de cada unidad de anclaje a cada nivel.
Adicionalmente, el diseñador debe especificar la protección contra la
corrosión y el programa de verificación y monitoreo en campo.

47. Tendones, Torones
Generalmente se utilizan dos tipos de tendones:
Cables. Hilo de siete alambres con resistencia a tensión última de 1.86 MPa
con diámetro entre 0.5 y 0.6 pulgadas que cumpla con la especificación ASTM
A-416. El número de alambres y de hilos depende de la carga de diseño. La
ventaja de los cables es que pueden cortarse a la longitud requerida y no
requieren uniones ni soldaduras.
Un cable de 0.6 pulgadas de diámetro puede soportar una carga de diseño de
150 kN.

48. Pernos, Nails
Varillas de alta resistencia. Varilla con resistencia última a la tensión de 1.03
MPa en diámetros variables entre 1.0 y 2.5 pulgadas de y que cumpla con la
especificación ASTM A-722 tipo II, o ASTM A416. Una varilla de 1 y 3/8 de
pulgada tiene una capacidad de carga máxima de 620 KN.
La longitud de las varillas es de 6, 9, 12, 15, y 18 metros. La principal dificultad
con las varillas es la necesidad de uniones o soldadura. La soldadura presenta
con frecuencia problemas de posibilidad de rotura por defectos de
colocación.

49. Resistencia Última
Los tendones se diseñan para una carga de diseño que no debe exceder el
60% de la carga última a la tensión. En el caso de estructuras definitivas la
resistencia última de los tendones se indica

50. Protección Contra la Corrosión
La protección contra la corrosión es muy importante para garantizar la larga
vida de los anclajes, especialmente en los siguientes casos:
• Suelos y rocas que contienen cloruros
• Cambios estacionales de la tabla de agua
• Ambientes marinos
• Arcillas saturadas con alto contenido de sulfatos
• Exposición a corrientes eléctricas que generan acción galvánica
• Paso a través de suelos d
“los suelos orgánicos son más corrosivos que las arcillas y las arcillas más que
las arenas y gravas.”

51. Cargas de Pretensionamiento
Es preferible utilizar cargas pequeñas y mayor número de anclajes que cargas
de gran magnitud.
Entre mayor sea el valor de la carga se requiere un diámetro mayor de la
perforación en el bulbo y un tendón de mayor capacidad. Aunque pueden
utilizarse cargas mayores por ancla no es prudente depender de cargas de
gran magnitud, especialmente en zonas sísmicas.
Un gran porcentaje de las fallas de los anclajes corresponde a
desprendimiento de los bulbos en anclas con cargas superiores a 500 kN.

52. Longitud de las Anclas
Debido a requerimiento de estabilidad no es recomendable utilizar anclas con
longitudes inferiores a 9 metros (Sabatini y otros, 1999).
La longitud de las anclas, la longitud libre y del bulbo debe seleccionarse en
tal forma que el bulbo se localice por debajo de la superficie potencial o real
de falla.
Se recomienda una longitud libre entre el bulbo y la superficie del terreno
mínima de 4.5 m para cables y 3 m para varillas, con el objeto de evitar las
pérdidas de cargas de tensionamiento debidas a la relajación y fatiga del
acero, el suelo y la cabeza de los anclajes (Weatherby y Nicholson, 1982).
Generalmente, la longitud total no excede 45 m.

54. Localización de las Anclas
Si la superficie de falla es poco profunda y el muro exterior está empotrado
por debajo de la superficie de falla, es posible que una sola hilera de anclas
sea suficiente para soportar el muro. Si la superficie de falla es profunda, se
requiere colocar como mínimo dos hileras de anclajes para garantizar la
estabilidad del muro.
Si la superficie del terreno es rígida (roca o suelo muy duro), es posible que
no se requiera muro propiamente dicho y que el deslizamiento pueda
estabilizarse utilizando elementos individuales con zapatas de apoyo.
El sistema de zapatas no es recomendable en suelos muy blandos, debido a
que no se genera efecto de arco entre anclas y se pierde fácilmente el
tensionamiento por deformaciones del suelo entre zapatas.

55. Ángulo de Inclinación de las Anclas
Es muy importante el diseño del ángulo de inclinación de las anclas. Se deben
tener en cuenta entre otros los siguientes criterios:
Es deseable que por encima del bulbo haya como mínimo 5 metros de sobrecarga
de suelo.
La mayoría de los anclajes se instalan a ángulos con la horizontal entre 10° y 30°.
Si el ángulo de inclinación es menor a 10°, se requiere técnicas especiales de
inyección del bulbo.
No es recomendable utilizar ángulos con la horizontal superiores a 45°, para evitar
aumentos importantes de las fuerzas actuantes y disminución de la capacidad de
carga horizontal del ancla.
Por las razones anteriores, se recomienda que los ángulos de inclinación de las
anclas con la horizontal varíen de 10º a 30º.

56. Bulbo de Anclaje
El bulbo es la longitud de varilla que es cementada para transmitir la carga de
tensión al suelo. Generalmente, estos bulbos son longitudes no menores a 3.0
metros.
La distribución de esfuerzo a lo largo de la longitud cementada no es
uniforme, con máxima concentración de esfuerzos en la punta exterior del
anclaje. Sin embargo, para diseño se asume que los esfuerzos son
uniformemente distribuidos a lo largo del bulbo.
La longitud del bulbo depende de la carga y de las propiedades de resistencia
al cortante de la roca o suelo a su alrededor.
En suelos blandos o sueltos se requieren grandes longitudes de bulbo.

57. Tipos de suelo donde pueden colocarse bulbos de anclaje
En Rocas. Todas las rocas se consideran aceptables para la colocación de
bulbos de anclaje. La capacidad de carga de la roca varía con su estructura,
resistencia a la compresión y composición.
En suelo granulares. La mayoría de anclajes en suelos arenosos también han
tenido un comportamiento satisfactorio a largo plazo .
En suelos arcillosos. Los bulbos de anclaje colocados en suelos cohesivos
blandos han tenido con frecuencia problemas de capacidad a largo plazo. Se
debe esperar comportamiento no satisfactorio de los bulbos en suelos
cohesivos con resistencia a la compresión inconfinada menor de 96 kPa y
resistencias remoldeadas menores de 48 kPa.

58. Tipos de Bulbo
Inyección por gravedad. En este método la inyección se instala por el método
“tremie” por gravedad. Se requiere que la perforación tenga más de 10° de
inclinación con la vertical para permitir el llenado del bulbo.
Inyección a presión. En esta técnica se inyecta a presión la lechada para que
penetre dentro de suelos granulares o roca fracturada. Generalmente se
utilizan presiones superiores a 50 psi. La presión puede además aumentar el
diámetro del hueco y producir esfuerzos normales más altos sobre la pared,
lo cual contribuye a aumentar la resistencia a la extracción del bulbo.

59. Bulbos mecánicos. Los pernos metálicos consisten en un sistema mecánico
que presiona contra las paredes del hueco. Existen varios tipos y su ventaja es
la instalación rápida, a su vez, el tensionamiento se puede llevar a cabo
inmediatamente después de su colocación. Opcionalmente el perno puede
ser cementado.

60. ESTABILIDAD DE TALUDES VIALES CON
ANCLAJES
Variables importantes:
Ensayo de carga en campo:
Comprobación de anclaje en campo; ensayo de carga, se tensiona el cable
hasta alcanzar un valor de 1,5 veces la carga de diseño, se registra magnitud y
elongación del tirante, se espera hasta 120 minutos y se controlan los
desplazamientos en el cable, una vez establecida la resistencia y correcto
funcionamiento, se implanta una carga de 110% en la fuerza del anclaje con el
objeto de compensar perdidas por relajación.

61. Dimensiones generales:
Longitudes de anclajes > a 9 m
Longitud mínima entre bulbo y superficie el talud o terreno > 4,5 m
Longitudes máximas 45 metros
Longitud máxima de bulbo 12 metros
Longitud mínima de bulbo 4,5 metros en suelos
Longitud mínima de bulbo 3,0 metros en roca
Localización de los anclajes:
Depende de la superf del terreno, superf rígida no se requiere de pantalla.
Elementos individuales no se recomiendan para suelos blandos.

62. Ángulos de inclinación:
• Se debe garantizar mínimo 5 metros de sobre carga sobre el bulbo de la
primera fila de anclajes.
• Ángulos de inclinación recomendados entre 10 – 30 grados.
• Ángulos menores a 10 grados se requiere técnicas especiales de inyección.
• Ángulos mayores a 45 grados pueden generar fuerzas actuantes
• Muros o pantallas semi-verticales o con pendientes superiores a 70 grados.
• Debido a la teoría de superficies de fallas, los ángulos de inclinación de las
filas inferiores deben ser mayores.
• Cuando el anclajes es perpendicular a la superficie de falla, la fuerza del
ancla Fa se minimiza.

63. Bulbo de esfuerzos:
• La distribución de esfuerzos a lo largo de la zona de bulbo no son uniformes.
• Se genera una máxima concentración de esfuerzos en la punto externa del
bulbo.
• La long del bulbo depende de la carga a aplicar y las propiedades de resistencia
al corte del suelo.
• En suelos blandos o suelos sueltos, se requieren de grandes longitudes de
bulbo.
• No se recomiendan instalar zonas de bulbo en rellenos.
• No se recomiendan instalar zonas de bulbo en suelos orgánicos.
• Para suelos finos cohesivos se debe calcular el índice de consistencia que sea
superior a 0,8.
(formula de Ic)
• Para suelos con valores de N de campo menores a 10 golpes/pie, se recomienda
realizar ensayos antes de aplicar esta metodología de contención.

64. Resistencia entre bulbo y suelo:
Está depende de las propiedades del suelos, método de perforación, longitud
y diámetro del bulbo y presión de inyección.
Se calcula el esfuerzo normal al cortante del anclaje
(formula de esfuerzo al cortante Ta)

66. Calculo de la adherencia:
• La carga ultima de transferencia entre el bulbo y el suelo se puede estimar
con el SPT.
• La suposición de la resistencia entre el bulbo y el suelo genera
incertidumbre.
• Es por ello que se hacen ensayos de carga en campo.
• Y se hacen ajustes de inyección y longitudes si así lo requiere.