Base Heave Stability in Circular Excavations with Diaphragm Walls in Overconsolidated Clays: Parametric Analysis and Simplified Method
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Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM)
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Trenchless methods have recently been implemented in Bogotá's sanitation works to install collectors over 3 m in diameter. These use deep circular shafts supported by cast-in-place diaphragm walls and concrete rings for launching and receiving tunneling equipment. Axisymmetric conditions require precise determination of wall embedment depth and verification of bottom failure stability in superficially overconsolidated clays. This article evaluates the safety factor against base heave failure through parametric analysis and proposes a simplified evaluation method. The methodology consisted of performing numerical simulations using finite elements, considering variations in the excavation diameter, its free height, and the embedment depth of the diaphragm walls in a clay profile from southwestern Bogotá, characterized on the basis of an in-situ CPTU test. The results indicated that the safety factor depends mainly on the geometric properties of the excavation, the depth of the embedment of the containment system, and the undrained shear strength of the clay beneath the bottom of the excavation. Finally, based on the results of parametric modeling, it is concluded that the effect of the surficial overconsolidation on the safety factor can be expressed in a semi-empirical equation through an adjustment coefficient (α), being more significant in excavations with a reduced diameter. These results contribute to improving the evaluation of excavation stability and optimizing construction strategies, promoting safer, more sustainable, and more resilient solutions in the design of underground works.
Recientemente se han implementado métodos sin zanja (trench-less) en obras de saneamiento en Bogotá, Colombia para instalar colectores de más de 3 m de diámetro. Estos emplean pozos circulares profundos sostenidos por muros diafragma fundidos in situ, junto con anillos de concreto, para lanzar y recibir equipos de tunelación. Las condiciones axisimétricas exigen definir con precisión el empotramiento de los muros y verificar la estabilidad ante falla de fondo en arcillas sobreconsolidadas. Esta investigación tuvo como objetivo realizar una evaluación del factor de seguridad frente a la falla de fondo mediante un análisis paramétrico para proponer un método simplificado de evaluación. La metodología empleada consistió en la realización de simulaciones numéricas con elementos finitos, considerando variaciones en el diámetro de la excavación, su altura libre, y la profundidad de empotramiento de los muros diafragma en un perfil de arcillas del suroccidente de Bogotá caracterizado a partir de un sondeo de piezocono con medición de poros (CPTU, por sus siglas en inglés). Los resultados indicaron que el factor de seguridad depende principalmente de las propiedades geométricas de la excavación, de la profundidad de empotramiento del sistema de contención y de la resistencia no drenada de la arcilla bajo el fondo de la excavación. Finalmente, con base en los hallazgos de la modelación paramétrica, se concluye que el efecto de la sobreconsolidación superficial en el factor de seguridad puede expresarse en una ecuación semiempírica incorporando de un coeficiente de ajuste (a), siendo este efecto más significativo en excavaciones de diámetro reducido. Estos resultados permiten mejorar la evaluación de la estabilidad de excavaciones y optimizar estrategias constructivas, favoreciendo soluciones más seguras, sostenibles y resilientes en el diseño de obras subterráneas.
Recientemente se han implementado métodos sin zanja (trench-less) en obras de saneamiento en Bogotá, Colombia para instalar colectores de más de 3 m de diámetro. Estos emplean pozos circulares profundos sostenidos por muros diafragma fundidos in situ, junto con anillos de concreto, para lanzar y recibir equipos de tunelación. Las condiciones axisimétricas exigen definir con precisión el empotramiento de los muros y verificar la estabilidad ante falla de fondo en arcillas sobreconsolidadas. Esta investigación tuvo como objetivo realizar una evaluación del factor de seguridad frente a la falla de fondo mediante un análisis paramétrico para proponer un método simplificado de evaluación. La metodología empleada consistió en la realización de simulaciones numéricas con elementos finitos, considerando variaciones en el diámetro de la excavación, su altura libre, y la profundidad de empotramiento de los muros diafragma en un perfil de arcillas del suroccidente de Bogotá caracterizado a partir de un sondeo de piezocono con medición de poros (CPTU, por sus siglas en inglés). Los resultados indicaron que el factor de seguridad depende principalmente de las propiedades geométricas de la excavación, de la profundidad de empotramiento del sistema de contención y de la resistencia no drenada de la arcilla bajo el fondo de la excavación. Finalmente, con base en los hallazgos de la modelación paramétrica, se concluye que el efecto de la sobreconsolidación superficial en el factor de seguridad puede expresarse en una ecuación semiempírica incorporando de un coeficiente de ajuste (a), siendo este efecto más significativo en excavaciones de diámetro reducido. Estos resultados permiten mejorar la evaluación de la estabilidad de excavaciones y optimizar estrategias constructivas, favoreciendo soluciones más seguras, sostenibles y resilientes en el diseño de obras subterráneas.