CAPÍTULO 2

EXPLANACIÓN Y NIVELACIÓN DEL TERRENO

 

1. CONCEPTO

Las nivelaciones consisten en la operación de determinar una cota taquimétrica del terreno u obra, conociendo previamente una cota inicial o de salida. Dichas nivelaciones reflejarán el desnivel que existe entre los diferentes puntos de la parcela o solar estudiado. Las nivelaciones servirán para resolver las incógnitas de diferencias altimétricas, para definir cotas de obra de plataformas, pendientes de evacuación de aguas en vías públicas, desniveles de tuberías, nivelación de explanaciones tales como autovías, campos de fútbol, campos de cultivo, diques, jardines, escolleras, pistas aeroportuarias, soleras, etc. Podríamos entender la explanación como la operación de movimiento de tierras a efectuar con el objetivo de convertir la superficie de un terreno natural en un plano horizontal o inclinado.

En general, estos trabajos consisten en la ejecución de todas las obras de tierra necesarias para la correcta nivelación de las áreas destinadas a la construcción, la excavación de préstamos cuando estos sean necesarios, la evacuación de materiales inadecuados que se encuentran en las áreas sobre las cuales se va a construir, la disposición final de los materiales excavados y la conformación y compactación de las áreas donde se realizará la obra. Dichos trabajos se ejecutarán de conformidad con los detalles mostrados en los planos o por el Director de Obra, utilizando siempre el equipo más apropiado para ello.

La nivelación ha contribuido en forma muy importante al desarrollo de la civilización, ya que las construcciones de caminos, conductos de agua o canales y las grandes obras de arquitectura e ingeniería, entre otras, tanto de la era moderna como de la antigüedad, son una prueba palpable de este sorprendente descubrimiento. No se sabe con exactitud el origen de esta rama de la topografía, pero se piensa que desde que el hombre quiso ponerse a cubierto, tanto del clima como de las bestias salvajes, se tuvo una idea más o menos precisa de la nivelación; desde apilar materiales y dar cierta estabilidad a éstos, como el hecho de cursar las aguas para los cultivos, pensando incluso ya en las pendientes. Todo ello condujo a la fabricación de ingeniosos instrumentos, desarrollándose paralelamente las técnicas y estudios pertinentes, lo que originó la aparición de nuevas teorías basadas en el desarrollo tecnológico y científico, dando lugar, en fin, a las denominaciones que utilizamos cotidianamente en la actualidad. Son muestras de belleza dignas de admiración lo logrado en las pirámides de Egipto, los caminos y canales hechos por los antiguos griegos y romanos, el canal de Suez o el de Panamá, la Gran Muralla china, los túneles del Mont-Cenis en Panamá o bajo el canal de la Mancha, y tantas otras obras que sin las técnicas propias de la nivelación, jamás estarían de pie para poderlas admirar en estos años.

La utilidad de la nivelación del terreno resulta innegable. Su fin principal es el cálculo de las pendientes y de los desmontes o terraplenes que hay que realizar en la ejecución de los distintos trabajos. Las instrucciones oficiales obligan a los constructores a tomar, como plano horizontal de referencia, el nivel medio del mar; este nivel se considera como de cota cero. Por consiguiente, el punto de partida de toda nivelación, ha de referirse al nivel del mar. Para ello debe buscarse, en las inmediaciones del lugar que se trata de nivelar, un punto cuya altura sobre el nivel del mar sea conocida. En todos los países occidentales, al realizar la nivelación general por el cuerpo de Topógrafos e Ingenieros geógrafos, se dejan señalados puntos de cota conocida, que sirven de referencia en las operaciones ulteriores. En España, tradicionalmente, estos puntos los fijaba el Instituto Geográfico Nacional, señalándolos con un disco de metal que lleva las letras N.P. (nivelación de precisión) y el número de orden de la cota correspondiente. Esta placa o redondel de metal, se coloca generalmente al pie de algún edificio o muro, y en éste se instala, a poca altura del suelo, una placa mucho mayor en la que consta la altura en metros y milímetros que corresponde al punto señalado. Ordinariamente, hay un punto de cota determinada en casi todas las estaciones de ferrocarril de nuestro país.

Una vez conocida la altura del punto de referencia, se le toma como origen para determinar la cota de todos los puntos cuya altura sobre el nivel del mar se quiere conocer. Basta, para esto, con hallar la diferencia entre las alturas de estos puntos y la del punto de referencia, y sumarla o restarla de la de éste, según esté situado más bajo o más alto que los demás.

La Altimetría es la parte de la topografía que tiene por objeto el estudio de los métodos y procedimientos que sirven para la representación del relieve del terreno mediante el levantamiento de los perfiles longitudinales y transversales del mismo. La exactitud de estas mediciones depende del objetivo que se persigue y también de los medios disponibles (instrumentos topográficos e informáticos). Los instrumentos topográficos empleados en la práctica de la nivelación son, básicamente, los siguientes:

- Niveles para dirigir visuales

- Miras para medir distancias

- Estaciones totales

- Instrumentos GPS

Los niveles pueden ser de precisión y de mano. Aunque el teodolito y el barómetro no son aparatos propiamente diseñados para la práctica de la nivelación, también se emplean para calcular las diferencias de nivel existentes entre los puntos del terreno. En cualquier caso, para determinar las alturas de puntos sobre la superficie terrestre es necesario utilizar algún punto o superficie como referencia o datum.

 

2. ALGUNAS DEFINICIONES O CONCEPTOS DE INTERÉS EN LA NIVELACIÓN DE TERRENOS

Veamos las más relevantes (algunas de ellas ya han sido definidas en el capítulo anterior).

Topógrafo: El topógrafo es el profesional especialista que describe o hace mapas de la topografía de un lugar o región; son los encargados de plasmar, en un plano topográfico, la realidad vista en el ámbito rural o natural de la superficie terrestre y en el campo urbano la descripción de los hechos o elementos existentes, como muros, edificios, calles y puentes, entre otros. El topógrafo no se limita a realizar levantamientos topográficos sino que posee el conocimiento suficiente para editar y redactar mapas cartográficos. Las principales facultades de un topógrafo son las siguientes:

• Calcular las superficies y volúmenes.
• Representar las medidas tomadas en el campo mediante levantamientos topográficos y perfiles necesarios para elaborar un plano.
• En un mapa topográfico con curvas de nivel determinar la elevación y la pendiente así como estimar los volúmenes de corte (desmonte) y relleno de material (terraplén o pedraplén) requerido en la ejecución de una obra pública o privada.

 

La tarea del topógrafo resulta previa al inicio de un proyecto técnico: un arquitecto o ingeniero proyectista debe contar con un buen levantamiento plani-altimétrico o tridimensional previo del terreno y de "hechos existentes" (elementos inmóviles y fijos al suelo), ya sea que la obra se construya en el ámbito rural o urbano. Una vez realizado el proyecto con base en este relevamiento, el topógrafo se encarga del "replanteo" del mismo: ubica los límites de la obra, los ejes desde los cuales se miden los elementos (columnas, tabiques...); establece los niveles o la altura de referencia. Luego la obra avanza y en cualquier momento, el arquitecto o ingeniero director de obra puede solicitar un "estado de la obra" (un relevamiento in situ para verificar si se está construyendo dentro de la precisión establecida por los pliegos de condiciones) al topógrafo. La precisión de una obra varía para cada caso: no es lo mismo efectuar el replanteo de la cimentación de una central nuclear que la ubicación del eje hidráulico de un canal de riego o de desagüe, o bien de un camino rural de uso público.

Rasante: Con sendas acepciones: 1. Consideración de una línea, de una calle, camino o terreno, con respecto a su inclinación con la horizontal. 2. Línea que marca el encuentro del terreno con el paramento vertical de un edificio.

Planta: es la representación del proyecto de explanación en un plano horizontal de referencia. Los puntos están definidos por sus tres coordenadas (X, Y, Z) en un sistema de coordenadas general (UTM) o bien local (relativo).

Traza: es la intersección del terreno con los planos verticales que contienen a la planta del proyecto.

Cota roja de un punto: es la diferencia existente entre la cota que tiene ese punto en la rasante definitiva y la que tiene en la traza. Es decir, es la cota en el proyecto menos la cota en el terreno natural. Desde luego, es el dato preciso para llevar a cabo el replanteo altimétrico. La cota roja puede ser:

• Positiva: proyecto a mayor cota que el terreno (exige terraplén o relleno de tierras).
• Negativa: proyecto a menor cota que el terreno (supone corte o desmonte de tierras).

Esquemáticamente, veamos que los pasos o fases que se siguen para calcular las cotas rojas de los puntos del proyecto son los siguientes:

• Realizar el proyecto sobre la cartografía base: se proyecta la planta del proyecto.
• Replantear la planta: se obtiene la traza a lo largo del eje del proyecto, el perfil longitudinal del terreno.
• Sobre la traza se proyecta la altimetría de la obra, la rasante. Comparando las cotas de la rasante y las de la traza, se calculan las cotas rojas de los puntos secuenciales.
• Se realiza, en fin, el replanteo altimétrico.

Estaca o piquete de rasante: Estaca que marca el nivel específico y determina la cantidad de relleno requerido para nivelar el terreno.

Relleno controlado: Relleno colocado en capas sucesivas, compactado y controlado para asegurar que se corresponde con las normas de compactación específicas y para conocer el contenido de humedad de cada una de las capas, así como su espesor y capacidad portante.

Perfil o rasante del terreno natural: Perfil y elevación natural de la superficie del terreno.

Movimientos de tierra: Las cotas de proyecto de rasante y subrasante de las obras de pavimentación o de explanación de una parcela de cultivo o de un terreno industrial o deportivo establecen la necesidad de modificar el perfil natural del suelo, siendo necesario, en algunos casos, rebajar dichas cotas y en otros casos elevarlas. En el primer caso corresponde ejecutar un trabajo de "corte o excavación", y en el segundo, un trabajo de "relleno o de terraplén".

Alineaciones, niveles y perfiles: En todo proyecto de pavimentación se consultan planos de perfiles longitudinales y transversales, relacionados con la línea de la calzada. Estos planos deben servir como guía para establecer las cotas que definirán la alineación y las alturas de excavación o de relleno. Una vez definido el trazado en planta de una obra vial, v. gr., es necesario conocer la conformación del terreno circundante para definir la posición final de la rasante y las características de las secciones transversales que resultarán al imponer la plataforma de proyecto. Los diversos tipos de perfiles que se levantan, tienen por objeto representar con fidelidad la forma y las dimensiones que el terreno presenta según los planos principales. Estos definen tridimensionalmente la obra en proyecto, a una escala adecuada que permita cubicar sus diversos componentes.
 
Perfiles longitudinales del terreno: Se llama perfil longitudinal del terreno a la intersección de éste con una superficie de generatrices verticales que contiene el eje del proyecto.

Perfiles transversales del terreno: Se define como perfil transversal de una parcela a la intersección de la misma con un plano vertical que es normal, en el punto de interés, a la superficie vertical que contiene el eje del proyecto. El perfil transversal tiene por objeto presentar, en un corte por un plano transversal, la posición que tendrá la obra proyectada respecto del proyecto y, a partir de esta información, determinar las distintas cantidades de obra a remover, ya sea en forma gráfica o analítica.

Perfiles especiales del terreno: Para resolver algunos aspectos de un estudio de un camino, emplazamiento de obras de arte por ejemplo, puede ser necesario tomar perfiles especiales. Los más corrientes se llevan a cabo según ejes que corten el eje longitudinal bajo un cierto ángulo; en otros casos pueden ser perfiles de estudios especiales o complementarios en lugares que se ven comprometidos por la obra. Los perfiles especiales que corten al eje longitudinal se pueden definir por el kilometraje de la intersección más el ángulo de corte; a otros se les definirá por números o bien por letras y se les ubicará en la planta.

Especificaciones: Antes de comenzar cualquier operación relacionada con movimiento de tierras se deberán estacar, a distancias no superiores a 30 m. entre sí, el pie de los terraplenes y los bordes superiores de los cortes. Las excavaciones deberán alcanzar con exactitud las trazas que muestren los planos, debiéndose respetar estrictamente las alineaciones, niveles, taludes y secciones transversales. Las excavaciones de cortes incluyen en algunos casos, además, la demolición de revestimientos asfálticos existentes, de pavimentos de hormigón, incluso de bases y sub-bases cuando así corresponda.

Curvas o líneas de nivel: Las curvas de nivel son líneas imaginarias, verticalmente equidistantes, que unen en forma continua todos los puntos de igual cota taquimétrica de un terreno. En un mapa topográfico con curvas de nivel podemos determinar la cota o elevación de cualquier punto sobre el plano, la pendiente existente entre dos puntos, así como estimar los volúmenes del corte (desmonte) y relleno (terraplén o pedraplén) del material requerido en la ejecución de una obra. Existen dos tipos de curvas de nivel: las curvas maestras y las intercaladas. En un mapa o plano con curvas de nivel podemos observar una gran cantidad de información sobre las características de la topografía del lugar.

Las curvas o líneas de nivel se caracterizan porque:

• No se cruzan entre sí.
• Deben ser líneas cerradas, aunque esto no suceda dentro de las líneas del dibujo.
• Cuando se acercan entre sí indican un declive más pronunciado y viceversa.
• La dirección de máxima pendiente del terreno, en un punto determinado del mismo, queda en ángulo recto con la tangente a la curva o línea de nivel en dicho punto.

 

Consideremos ahora una función de dos variables independientes que relaciona la cota taquimétrica de cada punto del terreno (Z) con la ordenada (Y) y la abscisa (X) correspondientes, así:

Z = f(X,Y)

Observamos que dicha función f es una regla numérica mediante la cual distintos valores de las coordenadas X e Y se traducen en distintos niveles de Z. En este caso, al tener únicamente dos variables independientes podemos realizar la representación gráfica de esta función. En la figura siguiente puede verse que todos los puntos del primer cuadrante o cuadrante positivo (puntos del plano cartesiano correspondientes a valores positivos de X y de Y) representan diversas combinaciones de ambas coordenadas.

Cada punto, en este plano en planta del terreno, representa un único valor de la función Z o cota. Así, los puntos A, B, C y D ofrecen una Z = 5 m. mientras que el punto F ofrece una Z = 15 m. En la figura anterior, la línea suave que entrelaza los puntos en que la función altura toma el mismo valor representa el lugar geométrico (o geográfico) de todas las posibles combinaciones de la abscisa y la ordenada para las cuales la cota taquimétrica resultante es la misma. Esta curva o isocuanta altimétrica constituye la “curva de nivel” que, en el caso de un plano, configurará una “recta de nivel”.

En definitiva, una curva de nivel es un modelo analógico del terreno natural consistente en realizar una substitución adecuada de una propiedad de la situación real por otra en el modelo asociado, de acuerdo con ciertas reglas. Y así, las distintas alturas de un terreno quedan delimitadas por las curvas de nivel que, como se ha dicho, son el lugar geométrico de los puntos del terreno que tienen idéntica altitud o cota taquimétrica con respecto al nivel medio del mar o a cualquier plano relativo de comparación. Y sin embargo, es obvio que en la realidad del terreno no aparecen precisamente las curvas de nivel surcando valles y montañas o serpenteando por las llanuras a la vista arrobada del observador (FRANQUET, 1991).

Descapote y desenraizado: Consiste en la retirada de raíces y suelos vegetales que contengan materia orgánica, arcillas expansivas o cualquier otro material que la Dirección facultativa considere inapropiado para la construcción de la obra. Los materiales resultantes serán retirados del sitio de la obra por el Contratista y depositados en vertederos autorizados o terrenos de cultivo. No se pagará el descapote ejecutado por fuera de los límites indicados en los planos o no ordenados por la Dirección facultativa de las obras. La cantidad de la obra correspondiente a este ítem se medirá por metros cúbicos (m3). El volumen se calcula de acuerdo con las secciones del terreno tomadas antes y después de descapotar. Su precio incluye todos los costos directos e indirectos necesarios para la ejecución del trabajo y la retirada de los materiales resultantes.

Corte en roca: Se define como “roca” aquel material cuya dureza y textura sea tal que no puede excavarse por métodos diferentes de voladuras o trabajo manual por medio de fracturas y cuñas posteriores y cuyo volumen sea superior a 3/4 de metro cúbico (0’75 m3).

Cortes en material común: Comprende todas las excavaciones no clasificadas como excavación en roca.

Remoción de derrumbes: Comprende la extracción y disposición de los materiales provenientes de derrumbes o deslizamientos de los taludes sobre la explanación ya terminada o en proceso de ejecución. Estos derrumbes deben ser removidos tan pronto como se presenten para evitar daños y perjuicios a terceros. Si durante el proceso de ejecución de los cortes se presentaren derrumbes en los taludes y aquellos no fuesen atribuibles a descuido, negligencia o falta de cuidado del Contratista, éste los retirará, y el costo le será reconocido de acuerdo con el volumen efectivamente removido. Las cunetas y drenajes se restablecerán tan pronto como sean removidos los derrumbes. Si por el contrario éstos se debieran a negligencia o descuido del Contratista o a operaciones deficientes, serán retirados por el Contratista a su costo o por el Promotor en ejecución subsidiaria. Si tales derrumbes produjeren perjuicios a las obras, al personal o a terceros, las indemnizaciones correrán por cuenta del Contratista.

Medida y abono de derrumbes en explanaciones: La unidad de medida empleada será el metro cúbico (m3) y se pagará de acuerdo con lo convenido en la obra o el contrato de obra existente entre el Promotor y el Contratista-adjudicatario de las obras de tierra correspondientes. En las bases técnicas especiales, se indicará la forma de presentación de las partidas que comprende el movimiento de tierras de la obra contratada, de acuerdo a los siguientes criterios:

• Volumen de excavaciones, de acuerdo a su clasificación.
• Volumen de material de excavación empleado como relleno en la misma obra (movimiento de tierra compensado).
• Relleno de empréstito.

 

En la presentación de las propuestas en base a precios unitarios, se cubicará separadamente cada una de estas partidas.
 
Medidas de distancias verticales: Mediante ellas se trata de determinar la diferencia de elevación existente entre dos puntos del terreno, o sea, la distancia que separa dos planos horizontales, ya sean reales o imaginarios, en los cuales están contenidos dichos puntos. Se observa que las medidas de diferencias de nivel tienen mucho que ver, directa o bien indirectamente, con las medidas de distancias verticales, debido a que este conjunto de procedimientos realizados para tomar las medidas citadas recibe, como ya hemos visto, el nombre de “nivelación”. Se considera el nivel medio del mar (en Alicante, en nuestro país) como el plano de referencia más empleado; sin embargo, para realizar una nivelación no es necesario relacionarse con esta consideración, puesto que un levantamiento taquimétrico se realiza referenciándole a un plano cualquiera, con respecto a las cotas referenciadas, si sólo se desea la nivelación relativa de los puntos entre sí.

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