1. Control de la nivelación
Uno de los controles más sencillos y eficaces para la determinación del asiento (o variación de cota) de una obra es la nivelación. El sistema de nivelación está formado por los elementos siguientes:
• Bases de referencia.
• Bases de nivelación.
• Nivel y mira.
Las bases de referencia son aquellos puntos fijos respecto a los cuales se mide la cota de los puntos de observación. Pueden consistir en hitos que permitan colocar el aparato de nivelación (nivel) en la misma posición cada vez que se realiza una campaña de medida. En ocasiones, para garantizar la inmovilidad de las bases de referencia, es preciso partir de un punto fijo profundo al que se accede mediante una perforación previa y una varilla metálica instalada en la perforación y anclada en su fondo inmóvil; la cabeza de la varilla, protegida con un hito de hormigón, sería la referencia de cota inicial y teóricamente fiable. Desde estas bases se debe poder dar cota a todos los puntos decontrol. En ocasiones la nivelación se hace únicamente con una base de referencia, desde donde sólo se controlan parte de los puntos de observación. En ese caso, resulta necesaria la realización de un «itinerario», cambiando de posición el «nivel» con la pérdida de precisión correspondiente.
Las bases de nivelación, o puntos a nivelar, son los elementos que se disponen en los puntos de observación para materializar su cota. Pueden ser simples «clavos» de nivelación o bases más precisas que permiten colocar la mira siempre en la misma posición.
Las miras pueden ser convencionales, o si se desea la obtención de mayor precisión, especiales (invar, por ejemplo) con sistemas de apoyo adaptado a las bases de nivelación.
Para determinar si existe o no movimiento y, en caso afirmativo, determinar su velocidad, es necesario que transcurra cierto tiempo de observación. El tiempo necesario es función inversa de la precisión del sistema, así con un procedimiento de control cuyo error sea 0,5 mm se tardará aproximadamente diez veces menos tiempo que con un sistema que tenga un error de 0,5 cm.
La precisión del sistema de nivelación depende de un gran número de factores y oscila entre unas pocas décimas de milímetro y unos cuantos milímetros. El ingeniero debe decidir la precisión requerida en función de la amplitud de los asientos que se quieren medir. En pilas de puente, por ejemplo, donde un incremento de asiento de 1 cm puede ser una variación importante, sería siempre recomendable disponer un sistema de nivelación preciso. Se recomienda, como norma general, utilizar sistemas cuya precisión supere el medio milímetro.
2. Control de la colimación
La colimación consiste en la determinación del desplazamiento horizontal de un punto, en dirección perpendicular a una alineación de referencia, según se muestra en la figura 8.7. Para ello son necesarios los siguientes elementos:
• Equipo fijo:
— Base de referencia.
— Diana de referencia.
— Bases de colimación.
• Equipo de lectura (portátil):
— Visor.
— Mira móvil.
La línea que une la base de referencia con la diana de referencia (alineación de referencia), constituye la línea respecto a la cuál se miden los movimientos en cuestión. Es frecuente que la base de colimación se aproveche como base de nivelación.
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| FIGURA 8.7. ESQUEMA DE LA COLIMACIÓN |
Las bases de colimación son los elementos de auscultación que sirven para materializar el punto cuyo movimiento se trata de controlar. Suelen disponer de un sistema que permite colocar una mira móvil siempre en la misma posición.
Las miras que se acoplan en las bases de colimación pueden ser de diferentes tipos. Las más precisas constan de una diana móvil que se ajusta mediante un tornillo micrométrico hasta quedar alineada con el plano de colimación; el desplazamiento que es necesario dar a la diana, permite conocer el desplazamiento del punto en cuestión.
La precisión de los sistemas de colimación es similar a la de los sistemas de nivelación. En general, los movimientos horizontales que se pueden medir con la topografía convencional son muy poco precisos (errores del orden del centímetro), y por ello sólo resulta de interés en aquellos casos en los que no se requiere gran precisión, como puede ser el control de un deslizamiento de terreno que implique movimientos de hasta varios decímetros, en el que únicamente se requiera un orden de magnitud centimétrico o decimétrico.
3. Medidores de convergencia
Los medidores de convergencia permiten evaluar con gran precisión la distancia que existe entre dos puntos accesibles. Para ello es necesario colocar unos pequeños anclajes en dichos puntos. El equipo de medida consiste en un hilo de invar que se ancla en ambos puntos y cuya longitud queda registrada con la ayuda de un nonius.
En condiciones favorables (ausencia de viento, buenos anclajes y distancias menores de cinco metros) se pueden alcanzar precisiones del orden de una décima de milímetro.
4. Clinómetros
La inclinación de una pila, o giro de la misma respecto a un eje horizontal, puede controlarse mediante clinómetros, los cuales pueden ser mecánicos (niveles de burbuja), eléctricos (de cuerda vibrante) o más complejos (servoacelerómetros).
En algunas ocasiones las desviaciones respecto a la vertical de las pilas de un puente se han medido con péndulos directos (hilo anclado en la parte superior y contrapeso en la inferior), o inversos (con el contrapeso flotando en un depósito de aceite en la zona superior) y también con plomadas o péndulos ópticos.
5. Piezómetros
Los piezómetros son los elementos que permiten determinar el nivel de carga hidrostática del agua en un punto determinado. Existen varios tipos de piezómetros: los denominados piezómetros «abiertos» y los «puntuales». Ambos requieren la realización de una perforación previa para acceder, desde la superficie, hasta el punto donde se quiere controlar la presión de agua.
• El piezómetro «abierto» consiste en un tubo con la pared ciega, salvo en la zona de medida donde queda ranurado para permitir la entrada de agua. El tubo se instala en una perforación, de tal manera que se garantice la impermeabilización del contacto tubo-pared de perforación, salvo en la zona de medida (ranurada). Con tales precauciones, el nivel que alcance el agua en el tubo será el nivel piezométrico del punto en cuestión (zona de medida).
• Necesita un volumen de agua importante para indicar el cambio de presión correspondiente, es por ello que no resulta adecuado en terrenos poco permeables.
• El piezómetro «puntual» consiste en un sensor que se instala en la zona de medida, y se aísla del entorno. Normalmente se coloca en una perforación donde se sitúa el sensor ro- deado de un relleno de arena que queda encapsulado superior e inferiormente por un relleno impermeable, generalmente formado por una mezcla bentonita-cemento.
• La presión que indica el sensor, traducida a metros de columna de agua y sumada a la cota del sensor, indicaría la cota del nivel piezométrico del punto en cuestión.
Al ser la medida de niveles piezométricos no acumulativa y variable en el tiempo, conviene que estos equipos estén dotados de un elemento registrador, preferiblemente digital.
6. Extensómetros
Existen equipos que permiten medir con gran exactitud la variación de la distancia entre dos puntos, cuyo nombre genérico es el de extensómetros.
En términos muy generales, los extensómetros pueden clasificarse en varios grupos, de acuer- do con la distancia que exista entre los puntos cuya separación se quiere controlar:
• Los extensómetros de base de medida muy corta, del orden del centímetro, se utilizan para auscultación de estructuras metálicas o para ensayos de laboratorio. Son los deno- minados galgas extensiométricas (también conocidos por su nombre en lengua inglesa como «strain-gauges» o «strain-gages»).
• Los extensómetros de base corta cubren distancias de unos pocos centímetros, -hasta unos 25 cm-. Constan de dos anclajes que se fijan a los puntos de medida y de un sensor que mide la separación que se quiere controlar. La precisión de estos equipos es del orden de la centésima de milímetro y suelen ser sensibles a los cambios térmicos por lo que, cuando se requiere gran precisión, es preciso controlar además, los cambios de tempera- tura en el lugar donde se toma la medida.
• Los extensómetros de gran base cubren distancias de varios metros y suelen disponer de un sensor (potenciométrico, de cuerda vibrante o de otro tipo) que mide directamente el movimiento entre los anclajes fijos de sus extremos. La precisión que pueden ofrecer, en la práctica, es del orden de 1/10.000 de la separación de entre los puntos de medida.
• Para distancias mayores —decenas de metros— se suelen utilizar extensómetros de varilla (rígidos) o de hilo. Estos equipos permiten controlar la distancia entre un punto profundo y un punto situado en una superficie accesible. Desde dicha superficie ha de realizarse una perforación hasta el punto profundo e instalar en ella el equipo de medida. La varilla o el hilo tienen un extremo fijo a uno de los puntos que se quiere observar y el otro extremo en un punto accesible donde se puede medir, respecto a una placa de referencia, el movimiento relativo. Su precisión práctica es del orden de 0,5 mm.
7. Placas de asiento
Estos equipos son muy comunes para controlar, por ejemplo, los asientos del cimiento de un terraplén durante su construcción. También pueden usarse para auscultar el asiento de una determinada tongada.
El equipo se encuentra recogido en la figura 8.8, y consiste fundamentalmente en una placa metálica que se apoya sobre la superficie cuya cota se quiere controlar. La placa tiene una varilla metálica vertical aislada del terraplén mediante un tubo. El extremo superior de la varilla debe que- dar más alto que el terraplén, sobresaliendo ligeramente sobre su superficie exterior. El control de la cota de la cabeza de la varilla permite conocer el asiento de la placa de la base, ya que ambas están rígidamente unidas.
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| FIGURA 8.8. EJEMPLO DE PLACA DE ASIENTO NOTA: Las medidas de los elementos propuestos únicamente tienen carácter orientativo. |
Las placas de asiento pueden sustituirse por extensómetros de hilo o varilla, cuando se requiera mayor precisión.
8. Células hidráulicas de asiento
Como en el caso de las placas de asiento, estas células se utilizan para medir el descenso del cimiento, o de algunas tongadas de los rellenos.
Las células de asiento son pequeños recipientes de agua que se colocan en el punto donde quiere controlarse la cota, y que después se entierran al construir el relleno. Unos tubos horizontales (o casi horizontales) comunican las células con el exterior. En dichos tubos se puede medir el nivel del agua, que será el mismo que en la célula, y, por consiguiente, desde el exterior se puede controlar la cota en el punto deseado.
Un mecanismo más complejo, que se utiliza en algunos casos en terraplenes en suelos blan- dos, es la denominada «línea continua de asientos». En este caso existe un tubo inicialmente horizontal en la base del terraplén por donde se puede deslizar un sensor que permite conocer la cota en cada punto del tubo, obteniéndose los asientos por diferencia de lecturas entre campañas.
La precisión de las células hidráulicas es del orden de 1 cm. En ciertas ocasiones especiales, se puede aumentar la precisión hasta 1 mm. En algunas instalaciones fijas muy específicas, se han llegado a alcanzar precisiones del orden de 0,1 mm.
9. Inclinómetros y otros tubos de control
Dentro de este grupo de equipos de auscultación, se incluyen varios sistemas que tienen en común el procedimiento de instalación. Requieren la realización de una perforación, y la colocación de un revestimiento especial (tubo de medida). Dependiendo del tipo de tubo, se puede utilizar en él una u otra clase de medidor que permita controlar los movimientos en la dirección del eje del tubo, en las transversales, o en ambas.
• Los movimientos transversales a la directriz del tubo pueden medirse mediante un inclinómetro. Este equipo registra la inclinación del tubo en tramos de cierta longitud. La integración de dichas inclinaciones permite conocer los desplazamientos transversales cuando alguno de los puntos del tubo se considera fijo (por lo general el fondo del taladro).
• La precisión de estos equipos puede estar en el entorno del 1/10.000 de la longitud (1 cm para longitudes de 100 m). Cuando se trata de medir movimientos transversales grandes, convie- ne utilizar tubos de gran diámetro (Øint ≥ 100 mm) ya que la máxima curvatura medible con estos equipos está en relación directa con la diferencia entre el diámetro interior del tubo inclinométrico y el exterior del medidor que se introduce en el mismo, (véase epígrafe 3.3.4).
• Los medidores de movimientos longitudinales a la directriz del tubo suelen llamarse tubos de asiento porque, en las perforaciones verticales, que son las más frecuentes, el movimiento longitudinal se debe a los asientos. Para este tipo de medida, se requiere que entre cada uno de los tubos que constituyen la entubación, exista cierto huelgo que permita su acercamiento relativo a media que el terreno asienta. En los puntos de control se instalan anillos electromagnéticos cuya cota se detecta con una sonda que se hace descender por el interior de la entubación de referencia. La precisión de estos sistemas es del orden del centímetro.
• Existen revestimientos (tubos) provistos de muescas fijas regularmente separadas entre sí, cada metro por ejemplo, donde se acopla un aparato de medida (micrómetro deslizante) que permite determinar la deformación longitudinal con una precisión que pueda alcanzar hasta la centésima de milímetro, y que simultáneamente controla las desviacio- nes de orientación en dos posiciones distintas. Permite conocer, por lo tanto, las tres com-ponentes del desplazamiento relativo entre cada dos puntos de medida. Este equipo, usualmente denominado extensómetro trivectorial (Trivec), resulta muy preciso, en el control de movimientos de una determinada entubación, pero su rango de lectura puede ser escaso para algunas aplicaciones.
10. Células de presión total
Las células de presión son elementos que se colocan sobre una superficie para conocer después, al cubrirlos con tierra, la presión que el relleno ejerce sobre ellos. También pueden colocarse en el con- tacto hormigón-terreno, para conocer la presión que se ejerce en dicho contacto al construir la obra.
En ocasiones su instalación se completa con piezómetros puntuales para poder determinar lapresión efectiva, como diferencia entre la presión total obtenida de la célula y la del agua determinada a partir del piezómetro.
La sensibilidad de estos equipos a la forma de instalación es especialmente alta cuando se compara con la de otros equipos de auscultación, y por ello su precisión puede ser difícil de asegurar. En consecuencia, su instalación y calibración ha de realizarse por personal especializado.ç
11. Ternas de bases de elongámetro
Estos equipos se conocen también como bases de medida de apertura de juntas. Consisten en unas referencias fijas (habitualmente pequeños anclajes o clavos), que se colocan a uno y otro lado de una determinada junta. Un medidor (elongámetro) se puede colocar apoyado en dichas referen- cias para medir, con una precisión que generalmente será de centésimas de milímetro, la distancia entre ellas.
Existen sistemas planos que miden sólo una o dos distancias a través de la junta en cuestión, y sistemas tridimensionales que permiten medir tres distancias, una de ellas en la dirección perpendicular al plano de la junta. Estos equipos son de fácil instalación y manejo, por lo que se recomienda su uso sistemático en los estribos de los puentes, y en las juntas de dilatación de los muros.
La determinación de los movimientos relativos entre las bases de medida se efectúa por diferencia de lecturas entre campañas.
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