Influencia de la no estacionariedad en el ángulo de fricción sobre el comportamiento del sistema de excavación apuntalado

Por qué excavar junto a edificios es un asunto importante

Las ciudades modernas excavan constantemente zanjas profundas para líneas de metro, sótanos y túneles de servicios. Estas excavaciones apuntaladas deben realizarse de forma segura en barrios densos, a menudo a solo unos metros de edificios existentes. Si el suelo se deforma más de lo previsto, los muros pueden inclinarse, las calles hundirse y las estructuras cercanas agrietarse. Este artículo explora cómo un detalle sutil —la forma en que la arena se vuelve más resistente con la profundidad— cambia nuestras predicciones del movimiento del terreno y las probabilidades de daño al excavar.

Cómo se retienen las excavaciones profundas

Una excavación apuntalada típica emplea un muro subterráneo rígido y una o más puntales horizontales para sostener el terreno circundante. Los proyectistas se preocupan por dos tipos principales de comportamiento. Primero, las fallas de resistencia, como la flexión del muro o la sobrecarga de los puntales. Segundo, los problemas de servicio, como que el muro se incline demasiado o que el terreno se asiente lo suficiente como para dañar edificaciones cercanas. En la práctica, autoridades como las de Shanghái imponen límites estrictos al movimiento del muro y al asentamiento del terreno, especialmente alrededor de infraestructuras críticas como líneas de metro y tuberías. Cumplir esos límites requiere predicciones realistas de cómo se deformará el suelo a medida que avanza la excavación.

El suelo nunca es verdaderamente uniforme

Los ingenieros saben que las propiedades del suelo varían de un lugar a otro debido a cómo se depositaron y compactaron las capas con el tiempo. Tradicionalmente, los modelos numéricos tratan una propiedad como el “ángulo de fricción” de la arena —que refleja cómo se acoplan los granos— como variable aleatoriamente pero con el mismo valor medio en todas las profundidades. Los datos de campo, sin embargo, muestran que la arena suele hacerse más resistente con la profundidad debido al aumento de presión por el peso del material suprayacente. Los autores denominan a esto una condición no estacionaria: el valor medio de la resistencia tiende a aumentar con la profundidad, mientras que la dispersión alrededor de esa tendencia se mantiene similar.

Simulando miles de posibles movimientos del terreno

Para evaluar en la práctica la importancia de esta tendencia con la profundidad, los investigadores modelaron un caso real de excavación apuntalada usando un software especializado de diferencias finitas. El modelo incluyó una capa de suelo arenoso, un muro pantalla profundo y un único puntal, representando de forma realista el nivel freático y las fases constructivas. Alimentaron el modelo con cientos de “mapas” distintos de resistencia del suelo, generados por ordenador para imitar la aleatoriedad natural. En algunos conjuntos se asumió que la resistencia media de la arena era constante con la profundidad; en otros, la resistencia media aumentaba linealmente con la profundidad, permitiendo aun variaciones locales aleatorias. Para cada caso realizaron 600 simulaciones para seguir respuestas clave: la máxima deflexión lateral del muro, el máximo asentamiento en la superficie y un nuevo índice llamado torsión por inclinación de la pared del edificio, que mide cómo el asentamiento desigual hace que una pared de edificio gire sobre sí misma.

Qué cambia cuando el suelo profundo es más resistente

Los resultados muestran que ignorar el aumento de la resistencia de la arena con la profundidad conduce a predicciones tanto más pesimistas como menos realistas. Cuando se permitió que el ángulo de fricción medio aumentara con la profundidad, el muro penetró menos en el terreno y el asentamiento superficial fue menor. Por ejemplo, el incremento del gradiente de resistencia redujo la deflexión máxima típica del muro de alrededor de 29 milímetros a unos 18 milímetros, y el asentamiento máximo de la superficie de unos 22 milímetros hasta tan solo 10 milímetros. La profundidad a la que el muro se doblaba más también se desplazó hacia arriba, porque el suelo más profundo y resistente sostenía la base del muro con mayor firmeza. Al mismo tiempo, el patrón general de dónde se asentaba más el terreno siguió determinado por la geometría —cerca del borde alejado del edificio vecino— pero la magnitud de ese asentamiento cambió apreciablemente con la tendencia de resistencia.

Replanteando las probabilidades de riesgo y daño

Más allá de los movimientos medios, el equipo estimó con qué frecuencia se superarían los límites normativos. Examinaron probabilidades de fallo para componentes individuales (como la flexión del muro o los límites de fuerza en los puntales) y para el sistema en su conjunto, bajo tres niveles de protección basados en criterios del metro de Shanghái. Cuando el suelo se trató como de resistencia media constante con la profundidad, las probabilidades calculadas de exceder los movimientos admisibles fueron mucho mayores que cuando se usó el perfil realista de resistencia creciente con la profundidad. Para un nivel de protección moderado, la probabilidad de que cualquier parte del sistema violara sus límites casi se redujo a la mitad al incluir la dependencia de la profundidad en la resistencia. Un hallazgo clave es que el asentamiento diferencial, expresado mediante la torsión por inclinación de la pared del edificio, suele dominar el riesgo global: un diseño que parece seguro si solo se considera el asentamiento máximo puede seguir representando un peligro serio para edificios adyacentes.

Lo que esto significa para la construcción en la ciudad

Para un lector no especialista, la conclusión es que pequeños refinamientos en cómo describimos el terreno pueden cambiar de forma significativa nuestra visión de la seguridad de la excavación. Tratar la arena como si tuviera la misma resistencia media de arriba abajo sobrestima cuánto se inclinarán los muros y cuánto se hundirá el terreno, y puede exagerar el riesgo calculado de daño. Modelos más realistas, en los que el suelo más profundo es en promedio más resistente pero sigue siendo variable, proporcionan estimaciones menores y mejor orientadas de movimiento y probabilidad de falla. Es importante además que los ingenieros consideren no solo cuánto se asienta el terreno en conjunto, sino cuán desigual es ese asentamiento, porque la torsión de las paredes de los edificios puede ser un factor crítico en el daño. Estas ideas pueden conducir a diseños de excavaciones profundas más seguros y económicos en entornos urbanos densos.

Cita: Rafi, K.M., Ering, P. Influence of non-stationarity in friction angle on the performance of the braced excavation system. Sci Rep 16, 5477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35051-1

Palabras clave: excavación apuntalada, asentamiento del terreno, variabilidad del suelo, tunelización urbana, riesgo de excavación