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Analysis of Influencing Factors on Earth Pressure in Finite Soil and Excavation Deformation Based on Orthogonal Tests

Este estudio utiliza el modelado numérico basado en ABAQUS y pruebas ortogonales para analizar sistemáticamente los efectos de las condiciones de suelo finitas y diversos parámetros sobre la presión de tierra y la deformación de la excavación, derivando finalmente fórmulas predictivas y una tabla de optimización para estructuras de contención en fosas de cimentación adyacentes a edificios existentes.

Autores originales: Qingyuan Yang, song chen

Publicado 2026-07-08

📖 5 min de lectura🧠 Análisis profundo

CC BY 4.0

Autores originales: Qingyuan Yang, song chen

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando cavar un hoyo profundo en tu patio trasero para construir una piscina. Normalmente, los ingenieros asumen que la tierra alrededor de tu hoyo se extiende infinitamente en todas las direcciones, como un océano interminable de suelo. Utilizan reglas antiguas y clásicas para adivinar cuánta presión ejercerá esa tierra contra las paredes de tu piscina.

Pero en grandes ciudades como Shenzhen, las cosas son diferentes. A menudo tienes que cavar justo al lado del sótano de un edificio existente. Esto significa que el "océano" de tierra está cortado; es una cantidad de suelo finita (limitada) que es exprimida entre tu nuevo hoyo y el edificio antiguo. Es como intentar apretar una esponja entre dos paredes en lugar de dejar que se expanda libremente.

Este artículo es como una historia de detectives inteligente donde los autores, Qingyuan Yang y Song Chen, investigan qué sucede cuando se cava en estos espacios apretados y "exprimidos". Querían descubrir: ¿Cuánta presión ejerce esta tierra limitada? ¿Y cómo construimos paredes que no se doblen o se rompan?

Aquí está el desglose de su investigación utilizando analogías simples:

1. El método de la "prueba de sabor" (Pruebas ortogonales)

En lugar de probar cada una de las posibles combinaciones de profundidad, anchura y resistencia de la tierra (lo que tomaría una eternidad y costaría una fortuna), los autores utilizaron un atajo ingenioso llamado Prueba Ortogonal.

Piensa en esto como un chef probando una sopa nueva. En lugar de probar cada cantidad posible de sal, pimienta y ajo en cada combinación, hace unos pocos lotes específicos donde cambia solo unos pocos ingredientes a la vez. Al probar estos lotes específicos, puede averiguar exactamente qué ingrediente importa más sin cocinar mil ollas de sopa.

En este estudio, los "ingredientes" fueron:

Cómo de profundo es el hoyo.
Qué tan ancha es la franja de tierra entre los hoyos.
Qué tan "agarre" tiene la tierra (fricción).
Qué tan "pegajosa" es la tierra (cohesión).

2. El rompecabezas de la presión (Presión de tierras)

Los autores construyeron un mundo virtual usando un software de computadora (llamado ABAQUS) para simular la excavación. Descubrieron que las reglas antiguas (que asumen tierra infinita) son demasiado temerosas. Hacen que los ingenieros construyan paredes que son mucho más fuertes y caras porque sobreestiman la presión.

Lo que encontraron:

La profundidad y el ancho son los jefes: Cuanto más profundo caves y más ancha sea la franja de tierra, más fuerte empuja.
El agarre y la pegajosidad son los ayudantes: Sorprendentemente, hacer que la tierra sea más "agarre" o más "pegajosa" en realidad reduce la presión ligeramente, pero no tanto como cambiar la profundidad o el ancho.
El resultado: Debido a que la tierra está atrapada, no puede deslizarse tan fácilmente como lo haría en un campo abierto. Esto significa que la presión sobre la pared es menor de lo que dicen los libros de texto antiguos.

3. La danza de la pared (Deformación de la excavación)

A continuación, observaron cuánto se doblaría o se movería la pared (deformación) durante la excavación. Probaron diferentes "disfraces" para la pared:

Espesor: Qué tan gruesa es la pared de concreto.
Empotramiento: Qué tan profundo penetra la pared en el suelo (como las raíces de un árbol).
Espaciado: Qué tan separados están los puntales de soporte (estratas).

El gran descubrimiento:
Lo más importante para evitar que la pared se doble es hacer la pared más gruesa. Es como usar un traje de acero pesado frente a uno de plástico delgado.

El efecto "Raíz": Cavar la pared más profundo en el suelo ayuda, pero solo hasta cierto punto. Una vez que las raíces son lo suficientemente profundas (aproximadamente del 65% al 90% de la profundidad del hoyo), cavarlas más profundo no ayuda mucho más. Es como tener un árbol con raíces que ya son lo suficientemente profundas para sostenerlo; hacerlas ligeramente más largas no detiene mejor el viento.

4. La receta de "Ricitos de Oro" (Optimización)

Los autores combinaron sus hallazgos para crear una Tabla de Coincidencia. Esto es como una tarjeta de receta para ingenieros.

Si sabes que tu hoyo tiene 20 metros de profundidad y la franja de tierra tiene 20 metros de ancho, esta tabla te dice exactamente qué tan gruesa debe ser tu pared y qué tan profunda debe ir para mantenerse segura sin desperdiciar dinero.

La idea principal:
Debido a que la tierra está "atrapada" (suelo finito), empuja menos de lo que pensábamos. Esto significa que los ingenieros pueden usar paredes más delgadas o raíces más superficiales de lo habitual y aun así estar seguros. Esto ahorra mucho dinero en concreto y acero mientras mantiene el sitio de construcción seguro.

Resumen

En resumen, este artículo dice: "No le tengan miedo a la tierra en los espacios apretados de la ciudad. No está empujando tan fuerte como dicen las reglas antiguas. Al usar pruebas computacionales inteligentes, podemos construir paredes que sean lo suficientemente fuertes, ni demasiado débiles, ni innecesariamente caras".

Proporcionaron una "hoja de trucos" específica (la tabla de optimización) para que los ingenieros puedan diseñar estas complicadas excavaciones urbanas de manera segura y económica.

Resumen Técnico: Análisis de los Factores Influyentes en la Presión de Tierra en Suelo Finito y la Deformación de Excavaciones Basado en Pruebas Ortogonales

Planteamiento del Problema
A medida que el desarrollo urbano se desplaza hacia la optimización de los recursos existentes, los proyectos de excavación en megaciudades encuentran cada vez más condiciones de "suelo finito", donde las estructuras de contención están adyacentes a edificios existentes o instalaciones subterráneas. En estos escenarios, la masa de suelo entre la excavación y el límite rígido es limitada. Las teorías clásicas de presión de tierra (Rankine y Coulomb), que asumen un espacio de suelo semi-infinito, ya no son aplicables. Bajo condiciones de suelo finito, la superficie de deslizamiento está restringida, formando a menudo una línea poligonal de múltiples segmentos o una curva compuesta, lo que conduce a distribuciones de presión de tierra activa no lineales y fuerzas resultantes significativamente menores que las predicciones tradicionales. Depender de supuestos de semi-infinitud en el diseño puede resultar en estructuras de contención excesivamente conservadoras o, por el contrario, en deformaciones incontroladas debido a errores en la estimación de la carga. Además, la investigación existente suele centrarse en modos de movimiento de muros rígidos o análisis de sensibilidad de un solo factor, careciendo de una comprensión sistemática de los efectos de acoplamiento multifactorial en el espacio tridimensional, particularmente para condiciones geológicas específicas como el suelo residual granítico encontrado en Shenzhen.

Metodología
El estudio utiliza la Estación de Intercambio de Chegongmiao en Shenzhen como caso de estudio, empleando una combinación de simulaciones numéricas 2D y 3D utilizando el software de elementos finitos ABAQUS y un diseño de prueba ortogonal.

Modelado: El estudio establece modelos numéricos considerando las características del suelo finito. Las suposiciones incluyen el criterio de fluencia de Mohr-Coulomb para el suelo, leyes constitutivas elásticas lineales para las estructuras y la exclusión de los efectos del agua subterránea. Los modelos simulan la interacción entre una excavación planificada y un edificio existente adyacente (simplificado a peso propio cero para aislar los efectos geométricos).
Diseño de Experimentos Ortogonales: Se realizaron dos conjuntos distintos de experimentos ortogonales (arreglos L9):
1. Análisis de Presión de Tierra: Se investigaron cuatro factores con tres niveles cada uno: profundidad de excavación, ancho de suelo finito, ángulo de fricción interna y cohesión. El criterio de evaluación fue la intensidad de la presión de tierra.
2. Análisis de Deformación: Se analizaron cuatro factores que influyen en la deformación del foso de cimentación: relación de empotramiento de la pared diatérmica, espesor de la pared, espaciamiento de puntales horizontales y espaciamiento de puntales verticales. Los criterios de evaluación incluyeron el desplazamiento horizontal máximo de la pared y el asentamiento máximo de la superficie del terreno.
3. Análisis Acoplado: Un tercer conjunto de pruebas ortogonales combinó factores de ambos conjuntos anteriores (relación de empotramiento, espesor de la pared, ancho de suelo finito y profundidad de excavación) para investigar la interacción entre las condiciones del suelo y los parámetros de la estructura de contención.
Análisis de Datos: Se utilizó el análisis de rango para determinar la clasificación de sensibilidad de los factores. Se empleó el análisis de regresión no lineal multivariante (usando SPSS) para derivar fórmulas de predicción cuantitativa para la presión de tierra y la deformación.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio arroja hallazgos cuantitativos y herramientas predictivas:

Sensibilidad de la Presión de Tierra: El orden de sensibilidad de los factores que influyen en la presión de tierra de suelo finito es: profundidad de excavación > ancho de suelo finito > ángulo de fricción interna > cohesión. La intensidad de la presión de tierra está correlacionada positivamente con la profundidad de excavación y el ancho del suelo, y correlacionada negativamente con el ángulo de fricción interna y la cohesión. Se estableció una ecuación predictiva: $S = 50.404 + 2.010A + 1.709B - 0.310C - 0.250D$ (donde A-D representan los respectivos factores).
Sensibilidad de la Deformación: Para la deformación del foso de cimentación, el factor más significativo es el espesor de la pared diatérmica, seguido por la relación de empotramiento, el espaciamiento de puntales horizontales y el espaciamiento de puntales verticales. Aumentar el espesor de la pared se identifica como la medida más efectiva para controlar la deformación. El estudio señala una "profundidad crítica efectiva" para las relaciones de empotramiento (aproximadamente 0.65–0.9), más allá de la cual un mayor aumento de profundidad ofrece rendimientos decrecientes en la reducción de la deformación.
Interacción Acoplada: Al analizar el efecto combinado del suelo finito y los parámetros de la estructura de contención, el orden de sensibilidad para la deformación sigue siendo: espesor de la pared > relación de empotramiento > ancho de suelo finito > profundidad de excavación. El estudio concluye que, bajo condiciones de suelo finito, el "efecto de falla adicional" del ancho del suelo y la profundidad de excavación sobre la deformación final se debilita sustancialmente porque la presión de tierra activa real es menor.
Optimización del Diseño: Basándose en el análisis de regresión, los autores proponen una "tabla de emparejamiento de optimización" para los parámetros de la estructura de contención (espesor de pared vs. relación de empotramiento) bajo anchos de suelo finito y profundidades de excavación específicos. Esta tabla permite a los ingenieros seleccionar parámetros que cumplan con los estándares de control de deformación mientras se reducen potencialmente los costos de construcción.

Significancia
El artículo afirma proporcionar una base teórica y una referencia de ingeniería para el diseño de fosos de cimentación adyacentes a edificios existentes. Al elucidar sistemáticamente los mecanismos de la presión de tierra en cuerpos de suelo finito y su influencia en la deformación de la excavación mediante pruebas ortogonales, el estudio aborda las brechas en la investigación actual con respecto al acoplamiento multifactorial y los modos de deformación de paredes de contención flexibles. Las fórmulas de predicción cuantitativa derivadas y la tabla de emparejamiento de optimización propuesta ofrecen un método para alejarse de los diseños excesivamente conservadores basados en supuestos de semi-infinitud, permitiendo diseños de estructuras de contención más económicos y seguros en entornos urbanos restringidos.

1. El método de la "prueba de sabor" (Pruebas ortogonales)

2. El rompecabezas de la presión (Presión de tierras)

3. La danza de la pared (Deformación de la excavación)

4. La receta de "Ricitos de Oro" (Optimización)

Resumen

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