ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y DE RETENCIÓN.

Cualquier estructura construida bajo la superficie del terreno está sometida a las, fuerzas que ejerce el suelo en contacto con la misma. El proyecto y construcción de estructuras enterradas o de sostenimiento constituye una faceta importante de la ingeniería civil. En las páginas anteriores ya se han presentado ejemplos de estructuras de este tipo; entre ellas están los pilotes metálicos colocados para la cimentación de la Fig. 1.2, los muros de cerramiento de la parte enterrada de los edificios que aparecen en las Figs. 1.4 y 1.5, la pantalla de concreto que sirve de recinto a la isla artificial de la Fig. 1.9 y el apuntalamiento de la excavación que muestra la Fig. 1.12b. Otros ejemplos habituales son los túneles de ferrocarril o carretera, los edificios subterráneos como centrales hidroeléctricas, las obras de drenaje, los muros de retención y los oleoductos.

La determinación de las fuerzas que actúan sobre una estructura entenada no se puede hacer en forma correcta, considerando únicamente la estructura o el terreno circundante, ya que el comportamiento de aquélla dependerá del comportamiento de éste. Por tanto, el ingeniero debe tener conocimientos sobre la interacción suelo-estructura para proyectar adecuadamente las estructuras sometidas a cargas de tierras.

Fig. 1.2 Edificio cimentado sobre pilotes.



Fig. 1.4 Edificio con cimentación superficial por placa.



Fig. 1.5 Edificio con cimentación profunda por pilotes.
 

Fig. 1.9  Estación marítima construida por relleno hidráulico.
 

Fig. 1.12 Taludes y excavaciones a) Talud Natural b) Excavación para un edificio c) Zanja para una conducción d) canal
 

TALUDES Y EXCAVACIONES.

Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe una componente del peso que tiende a provocar deslizamientos mientos del suelo, como se aprecia en el diagrama d fuerzas cte la Fig. 1 .12a. Si, a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, tos esfuerzos tangenciales debidos al peso propio o a cualquier otra causa (como agua de filtración, peso de una estructura o de un terremoto) superan la resistencia al corte del suelo, se produce un deslizamiento de una parte del terreno. Existen muchos casos en los taludes naturales, terraplenes compactados y excavaciones, en que el ingeniero debe estudiar la estabilidad de un talud, comparando los esfuerzos tangendales con la resistencia al corte a lo largo de una superficie de deslizamiento potencial, es decir, deberá realizar un edículo de estabilidad.

La Fig. 1.1 2a muestra un talud natural sobre el cual se ha construido un edificio. El incremento de esfuerzos tangenciaies próvocado por el edificio y la posible disminución de la resistencia al corte del terreno por el agua infiltrada desde aquel puede ocasionar una falla del talud, el cual pudo ser estable durante muchos años antes de la construcción. Deslizamientos de este tipo son frecuentes en la zona de Los Angeles, Cal.

La presa de tierra que aparece en la Fig. 1.8 tiene un núcleo de tierra compactado cuya estabilidad fue necesario estudiar. Durante el proyecto de esta presa se compararon los esfuerzos tangenciales con la resistencia al corte para diversas superficies potenciales de deslizamiento que pasan por el núcleo arcilloso.

Las Figs. l.12b y e muestran excavaciones para un edificio y una conducción. Ii excavación para el edificio es una excavación apuntalada o entibada y la de la conducción es una excavación sin apuntalar en zanja. Al proyectar debe comprobarse que no se supera la resistencia al corte del talud, ya que esto daría lugar a un derrumbe hacia el interior.


La Fig. 1.1 2d muestra el esquema de un canal. Genes ralmente los canales se construyen excavando el terreno natural, aunque a veces se construyen con bordos compactados. Los taludes laterales del canal deben tener suficiente seguridad contra un deslizamiento del tipo ya descrito y contra los efectos del agua que circula por el interior. Si no se dispone de una protección adecuada contra la corriente de agua, los costeros del canal pueden sufrir erosión, lo cual hace necesario eliminar continuamente el azolve del canal y puede originar un deslizamiento general de los taludes.

La Fig. 1.13 muestra un espectacular corrimiento de un talud natural en ardua sensible (*). La arcilla sensible procede de un depósito marino lixiviado posteriormente por el agua freática. La eliminación de las sales de los poros del suelo causa una gran pérdida de resistencia a cualquier perturbación de este suelo. El terreno del deslizamiento de la Fig. 1.13 habría sido lavado durante miles de años hasta que su resistencia fue insuficiente para soportar el talud natural. Cualquier excavación al pie del talud o la adición de cargas habría acelerado el deslizamiento. Deslizamientos de este tipo son frecuentes en Escandinavia y Canadá.



Fig. 1.12 Taludes y excavaciones a) Talud Natural b) Excavación para un edificio c) Zanja para una conducción d) canal



Fig. 1.13 Deslizamiento en arcilla marina muy sensible


Fig. 1.8 Presa de tierra.


Ejemplo de Pavimento de Carretera.

Uno de los usos más comunes y extendidos del suelo como material de construcción es en pavimentos (*) de carreteras y aeropuertos. Los pavimentos pueden ser flexibles o rígidos. La función principal de un pavimento flexible es repartir las cargas de rueda concentradas en una superficie suficientemente grande para que no se produzcan esfuerzos excesivos sobre el terreno de cimentación. El pavimento rígido, formado por una loza de concreto armado posee suficiente resistencia a flexión para hacer de puente sobre las partes blandas de la cimentación. El pavimento más adecuado para cada caso par. ticular depende de la naturaleza del terreno, de los materiales de construcción disponibles y de las funciones de la carretera.

La Fig. 1.11 muestra un pavimento flexible de carretera proyectado para 100 pasadas por día y por carril de un vehículo con una carga máxima por rueda de 6,750 kg. El pavimento elegido está fonnado por una su brasante meforada, conseguida al compactar los 15 cm superiores del terreno natural; una capa de base formada por 15 cm de suelo del lugar, estabilizado con un 7 % en peso de cemento portland y regado hasta la humedad conveniente el cual se compactó posteriormente; y una superficie de rodamiento constituida por 5 cm de mezcla asfáltica fina, en caliente.

En general, la base de un pavimento está formada por grava o piedra triturada. En el desierto en que se construyó el pavimento de la Fig. 1.11 había escasez de grava, pero existía gran abundancia de arena de médano. En este caso fue más económico mejorar las propiedades de la arena local (estabilización) que transportar grava o piedra desde distancias mayores. El agente estabiizante más económico y el método de ejecución de la base estabilizada se definieron, a partir de un programa de pruebas o ensayos de laboratorio, considerando diversos productos y métodos constructivos.

En el proyecto y construcción de esta carretera, el ingeniero debió tener en cuenta las siguientes cuestiones:

1. ¿Qué espesores deberían darse a las distintas capas del pavimento para soportar las cargas previstas?
2. 6Qué porcentaje óptimo de producto estabilizante debería emplearse con la arena de médano?
3. ¿Es aceptable la arena de médano para la mezcla asfáltica?
4. ¿Qué tipo y qué porcentaje de asfalto proporcionaría el pavimento más económico y satisfactorio?
5. ¿Qué tipo y grado de compactación debería aplicarse?

* En algunos países es más habitual hablar de firmes. (N.T.)


Fig. 1.11. Pavimento de carretera.

Ejemplo de una Estructura de Recuperación de Tierras.

En muchas partes del mundo ya no quedan lugares adecuados dónde construir. Esto resulta particularmente cierto en las instalaciones portuarias y marítimas, que, evidentemente, deben situarse en la costa. Para remediar esta escasez se realiza un número cada vez mayor de obras en las que se forman grandes sitios de construcción con reile no de tierra. El suelo para estas obras se obtiene generalmente dragándolo del cauce de un río adyacente, un lago o el fondo del mar y colocándolo en el emplazamiento deseado. Este proceso se denoimna relleno hidráulico.

Las Figs. 1.9 y 1.10 muestran una obra realizada con éxito en el lago Maracaibo, Venezuela. Se construyó una isla artificial hincando una pantalla de pilotes de concreto que cercaba un recinto de 850 m de longitud por 60 m de anchura. A continuación se dragó tierra del fondo del lago Maracaibo, transportándola por bombeo al recinto protegido por la pantalla, hasta que el nivel del relleno hidráulico. alcanzó la altura deseada. Se combinaron tres factores, la falta de terreno en la costa, el calado requerido para el atraque de grandes buques y la necesidad de dragar un canal en el lago, para que esta construcción de una isla artificial resultara una solución excelente para suplir las necesidades de puntos de atraque en esta zona.

Sobre la isla artificial se construyeron depósitos de almacenamiento para diversos productos derivados del petróleo. Estos productos se transportan por tubería desde la costa hasta los depósitos de la isla y después, se bombean desde éstos a los petroleros anclados en los dos atracaderos que aparecen en la Fig. 1.9.
Se realizaron numerosos sondeos de reconocimiento, en la zona a dragar, con el fin de poder estimar el tipo de relleno que se usaría para la formación de la isla. Este relleno estaba formado principalmente por arcilla en forma de terrones duros, de tamaño variable entre 2 y 15 cm, junto con un barro ligero de agua con limo y partículas arcillosas en suspensión. Al salir de la tubería de bombeo, las partículas más grandes se depositaban en primer lugar, mentras que las más finas eran arrastradas a considerable distancia de la descarga de la tubería. En un ángulo de la isla se dispuso un vertedero para permitir que volviera al lago el exceso de agua arrastrada en la opera ción de dragado.

Para el proyecto de esta obra, el ingeniero debió resolver entre otras, las siguientes cuestiones:

1. ¿Hasta qu profundidad debía penetrar la pantalla en el terreno de cimentación?
2. ¿Cómo debían arriostrarse lateralmente los pilotes?
3. ¿Cuál sería el método más conveniente para la colocación del relleno?, es decir, ¿cómo debía colocarse la salida de la tubería de dragado con objeto de conseguir que la parte mí firme del relleno estuviera en los lugares donde se producirían las mayores cargas sobre la cimentación?
4. ¿Qué valores de resistenci y compresibilidad del relleno hidráulico debían emplearse para el proyecto de las cimentaciones de los depósitos, edificios e instalaciones de bombeo que se iban a colocar en la isla?
5. ¿Dónde se depositarían los finos del suelo que salían del recinto de la isla por encima del vertedero?

Fig. 1.9  Estación marítima construida por relleno hidráulico.



Fig. 1.10 Estación marítima La Salina.

Ejemplo de una Presa de Tierra.

La Fig. 1.8 es una sección transversal de una presa de tierra construida para crear un embalse. Las dos zonas principales de la presa son el núcleo o corazón y el pie de enrocamiento: el núcleo con su arcila impermeable hace que las filtraciones sean escasas; y el pie de bloques de roca pesados y muy permeables, proporciona una estabilidad considerable a la presa. Entre ambas zonas se coloca un filtro de grava para evitar el arrastre de las partículas del suelo del núcleo hacia los huecos del enrocamiento. Entre el núcleo y el embalse se coloca un manto de bloques sobre un lecho de grava. Este manto evita la erosión del núcleo por la lluvia o el agua del embalse. El lecho de grava impide la penetración de grandes bloques de roca del manto en la arcila. Este tipo de presa se denomina mixta o graduada para diferenciarla de la presa de tierra homogénea en la que se utiliza un solo tipo de material en toda la sección.

La popularidad de las presas de tierra, en comparación con las de concreto, aumenta de manera constante por dos razones principales. En primer lugar, la presa de tierra puede resistir mejor los desplazamientos de la cimentación y de los estribos que una estructura de concreto más rí gida. En segundo lugar, el costo de las obras de tierra por unidad de volumen se ha mantenido aproximadamente constante durante los últimos 50 años (el aumento del costo de la mano de obra ha sido contrarrestado por las mejoras en los equipos de movimiento de tierras), mientras que el costo del concreto ha aumentado continuamente. Por tanto, las presas de tierra tienen cada vez más aceptación.

Los tamaños relativos de cada zona en una presa de tierra y los materiales de las mismas dependen mucho de los materiales disponibles en el lugar. En el caso de la presa de la Fig. 1.8 los volúmenes respectivos de arcilla y roca que se extrajeron de la excavación para el embalse fueron prácticamente equivalentes a los que se usaron para la presa. De esta forma no se desperdicié nada del material excavado. El único material escaso en la zona era la grava empleada para el filtro y el lecho de apoyo del enrocarniento. Este material se obtuvo de graveras fluviales a cierta distancia de la zona, y se transporté en camiones hasta la presa.



La construcción de la presa se realizó en toda su longitud y ancho simultáneamente; es decir, se intentó mantener la superficie de la presa aproximadamente horizontal en todas las fases de la construcción. El pie de la misma, formado por bloques de roca con tamaños desde 0.15 a 0.90 m, se vertía directamente desde los camiones y la piedra se regaba con agua a presión elevada a medida que se descargaba. La arcilla y la grava se colocaron por capas

horizontales de 0.15 a 030 m de espesor, regándolas hasta obtener una humedad determinada y, finalmente se compactaron, en toda la superficie, mediante rodillos.

Durante el diseño y construcción de la presa de tierra, los ingenieros civiles debieron tener en cuenta las cuestiones siguientes:

1. ¿Qué dimensiones debería tener la presa para obtener la estructura más económica y segura?
2. ¿Cmii es el espesor mínimo seguro de las capas de grava?
3. Qué espesores de rava y bloques de roca serían necesarios en el manto para limitar el hinchamiento del núcleo de arcilla a un valor admisible?
4. ¿Qué humedad y método de compactación deberían emplearse en la colocación de la grava y arcilla?
5. ,Cuáles serían las características de resistencia y permeabilidad de la presa construida?
6. ¿Cómo variaría la resistencia y la permeabilidad de la presa con el tiempo y la altura de agua en el embalse?
7. ¿Qué pérdidas por filtración podrían producirse bajo la presa y a través de la misma?
8. Si es el caso, ¿qué restricciones especiales deberían imponerse en el funcionamiento del embalse?


Fig. 1.8 Presa de tierra.

EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.

El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye, de hecho, el único material disponible localmente. Desde el período neolítico, la tierra se ha utilizado para la construcción de monumentos, tumbas, viviendas, vías de comunicación y estructuras para retención de agua. En este apartado se describen tres estructuras construidas con tierra.

Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y, luego, controlar su colocación en la obra. Una masa de suelo colocada por el hombre constituye un relleno y el proceso se suele denominar rellenado. Uno de los problemas más habituales en este tipo de construcción se debe a la gran diversidad de los puntos de extracción, denominados zonas de préstamo. Una parte esencial de la tarea del ingeniero es cerciorarse que las propiedades del material colocado correspondan a las supuestas en el proyecto, o modificar el proyecto durante la construcción, teniendo en cuenta cualquier diferencia entre las propiedades de la obra construida y las que se consideraron en el proyecto.

Ejemplo de Leventamiento de una Cimentación.

El ingeniero no sólo se enfrenta con problemas referentes a asentamiento sino también con casos de movimiento ascensional (levantainiento de estructuras. Los problemas de levantamiento se producen cuando el terreno se expande al disminuir la presión de las tierras que le confinan superiormente y/o cuando aumenta la humedad del suelo. Algunos suelos; denominados expansivos, poseen propiedades de hinchamiento en grado relativamente elevado.

Los problemas de levantamiento o hinchamiento son bastante generales y de importancia económica en aquellos países que tienen regiones áridas, como por ejemplo Egipto, Israel, África del Sur, España, el Suroeste de los Estados Unidos y Venezuela. En tales zonas, los suelos se secan y contraen con el clima árido, hincándose al existir nuevamente humedad. El agua necesaria puede proceder de la lluvia o drenaje o por efecto de capilaridad, cuand0 una capa impermeable se cóloa sobre la superficie del terreno, evitando así la evaporación. Evidentemente, cuanto más ligera sea una estructura tanto más la levantará el terreno expansivo. Así pues, los problemas de hinchamiento suelen estar asociados con estructuras, ligeras como pequeños edificios (especialmente almacenes), vertedores de presas y pavimentos de carreteras.

La Fig. 1.7 muestra una estructura ligera construida en Coro, Venezuela. En la zona de Coro el terreno es muy expansivo, conteniendo el mineral denominado montmorilonita. Bastantes edificios de Coro han sufrido daños por levantamiento. Por ejemplo, la solera y la losa de acceso a un hotel local, situadas sobre la superficie del terreno, al sufrir un levantamiento importante, se agrietaron severamente y quedaron muy irregulares. En el edificio de la Fig. 1.7 se utilizó un sistema que evita los daños por hinchamiento del terreno, pero que resulta mucho más caro que una simple placa superficial. En primer lugar, se abrían agujeros en el suelo, donde se colocaban revestimientos de acero para formar, a continuación tapones y pilotes de concreto. Bajo el edificio y en torno a los pilotes quedaba un hueco que servía para reducir el hinchamiento del suelo (al permitir la evaporación) y, a la vez, dejaba espacio para que tal hinchamiento se produjera sin perturbación para el edificio.

El problema principal del ingeniero consistió en seleccionar el tamaño, capacidad, longitud, y separación de los pilotes. Los pilotes tenian suficiente longitud para llegar por debajo de la capa del suelo susceptible de hincharse por la presencia de humedad. La profundidad elegidad era tal, que la presión de confinamiento, debia a la sobrecarga de tierras más de la carga mínima del edificio, era suficiente para impedir la expansión.

Fig. 1.7  Edificio cimentado en un terreno expansivo.

Ejemplo de un Terraplén sobre Terreno Blando.

La Fig. 1.6 muestra un terraplén de 10 m de altura colocado sobre una capa de suelo blando de 960 m de espesor. La idea original era colocar sobre dicha zona un depósito de 15 m de diámetro y 17 m de altura, tal como se representa con línea de trazos en la figura. Si se hubiera colocado el depósito sobre el terreno blando, sin una cimentación especial, se habría producido un asentamiento superior a 1.50 m. Aunque un depósito metálico es una estructura flexible, un asentamiento de 1.50 m es demasiado grande para que sea admisible.

Los estudios geotécnicos realizados mostraron que una solución muy económica para el problema de la cimentación del depósito consistía en construir un terraplén, en el emplazamiento previsto, para consolidar el terreno blando, eliminando posteriormente el terraplén y colocando por último el depósito sobre el terreno consolidado. Esta técnica es lo que se denomina preda.rga o sobrecarga previa.

Como la precarga debía eliminarse justo antes de la construcción del depósito, situando la cimentación del mismo a la cota adecuada, la magnitud del asentamiento de la precarga no tenía gran importancia.

Unicamente debía prestarse atención especial a que el terraplén no fuera tan alto que pudiera producirse una falla o rotura* por deslizamiento del terreno. Si el terraplén hubiera producido esfuerzos tangenciales o cortantes en el terreno, superiores a la resistencia al corte del mismo, se habría producido un hundimiento por deslizaniiento Esta rotura la habrían acompañado grandes movimientos del terreno, probablemente, con una gran perturbación del terreno blando y posibles daños a los depósitos próximos. Entre las cuestiones a tener en cuenta para esta obra pueden citarse:

1. Qué altura podría alcanzar el terraplén?
2. ¿Con qué rapidez se podría construir el mismo?
3. ¿Cuáles serían los taludes mínimos del terraplén?
4. ¿Podría colocarse el terraplén sin emplear métodos especiales para contener o drenar el terreno blando?
5. ¿Cuánto se asentaría el terraplén?
6. ¿Durante cuánto tiempo debería dejarse el terraplén con objeto de que el terreno se consolidara lo suficiente para permitir la construcción y buen funcionasniento del depósito?

Fig. 1.6  Terraplén sobre un suelo blando.



Ejemplo de Cimentación por Pilotes.

La Fig. 1.5 muestra el Centro de Materiales de M.I.T., con cimentación profunda sobre pilotes. El terreno de la zona es semejante al del Centro de Estudiantes, con la importante excepción de que, en este caso, existe muy poca o ninguna arena y grava. La carga total del edificio es de 28,000 ton, compuesta por un peso muerto de 16,000 ton, y una sobrecarga de servicio de 12,000 ton. El peso muerto del Centro de Materiales es menor que el del Centro de Estudiantes, principalmente debido a que el primero está construido con materiales más ligeros mientras que la sobrecarga de servicio es mayor, por efecto de la pesada maquinaria que alberga. Las tres razones principales por las cuales el Centro de Materiales se cimentó sobre pilotes apoyados en el terreno firme, en Jugar de recurrir a una cimentación flotante, fueron:

1. La función a que estaba destinado el Centro de Materiales era tal, que no resultaba aconsejable que la planta baja quedara por debajo de la superficie del terreno.
2. No existía prácticamente arena y grava sobre la cual colocar la placa.
3. Los múltiples servicios subterráneos, en especial un gran túnel de vapor que atravesaba la zona, habrían hecho la construcción de la placa cara y difícil.

Fig. 1.5 Edificio con cimentación profunda por pilotes.

La cimentación elegida estaba formada por 537 pilotes, cada uno de ellos con una capacidad de carga de 70 ton. Los pilotes se construyeron perforando un taladro de longitud aproximadamente igual a los 3/4 de la altura comprendida desde la superficie del terreno hasta el suelo firme; se colocó una camisa o tubo de acero de 32 cm de diámetro en el taladro perforado hincándolo hasta el terreno firme, y a continuación se rellenó dicho tubo con concreto. (El extremo del tubo se cerró con una placa de acero con el fin de evitar la entrada de tierra). Un pilote de este tipo se denomina pilote de punta (Su punta es la que le sirve de base de apoyo; descansa sobre terreno firme, en oposición al pilote de fricción o flotante que moviliza la capacidad sustentante del terreno a lo largo de una gran parte de su fuste) y también pilote colado ¡ti situ (en oposición a un pilote prefabricado e hincado posteriormente). Se extrajo tierra, con ayuda de una sonda helicoidal, en las 3/4 partes de la longitud del pilote, con el fin de reducir el aumento neto de volumen, bajo la superficie del terreno, por efecto de la introducción de los pilotes. Si no se hubiera realizado esta perforación previa, la superficie del terreno en la zona edificada habría ascendido aproximadamente 030 m debido al volumen de los 537 pilotes. Esta elevación habría sido inadmisible debido a que habría levantado pilotes ya colocados, resultando peligrosa por la posible perturbación de la cúpula que aparece en segundo piano en la Fig. 1.5.

Entre las cuestiones con que se enfrenta el ingeniero en el proyecto y construcción de una cimentación por pilotes están:

1.
¿Qué tipo de pilote debe emplearse?
2. ¿Cuál es la carga máxima admisible por pilote?
3. ¿Con qué separación deben colocarse los pilotes?
4. ¿Qué método de colocación debe utilizarse?
5. ¿Qué variación respecto a la vertical puede permitir- se en un pilote?
6. ¿Cuál es la secuencia óptima en la colocación de pilotes?
7. ¿Tendría el hincado de pilotes alguna influencia sobre estructuras adyacentes?

Ejemplo de Cimentación Superficial.

La Fig. 1.4 muestra el Centro de Estudiantes del M.I.T. qué tiene una cimentación superficial formada por una placa continua bajo todo el edificio. Es lo que se denomina una cimentación por placa o por loza corrida. El terreno de la zona está formado por los siguientes estratos, comenzando desde la superficie hacia abajo: una capa de 50 m de un relleno blando y limo orgánico; una capa de 6 m de arena y grava; 22.50 m de ardua blanda; y finalmente, un suelo firme y roca. El peso del edificio vacío (denominado peso muerto) es de 32,000 ton. El peso del mobiliario, personas, libros, etc. (la llamada sobrecarga de servicio o carga viva) es de 5,000 ton. Si se hubiera construido este edificio con su carga total de 37,000 ton sobre la superficie del terreno, se habría producido un asentamiento de aproximadamente 0.30 m debido a la consolidación del terreno blando superior. Un asentamiento de esta magnitud habría dallado la estructura. La solución de este problema de cimentación fue cimentar el edificio en una excavación abierta en el terreno. El peso del terreno excavado fue de 29,000 ton, de forma que la carga neta aplicada por el edificio al terreno fue de sólo 8,000 ton. Por este sistema el asentamiento estimado del edificio fue de 5-8 cm, valor que puede tolerarse.
Este método de reducir la carga neta eliminando parte del terreno se denomina compensación de cargas o flotación. Cuando la carga del edificio se compensa en parte por el terreno excavado, la técnica se denomina de flotación parcial; cuando se compensa totalmente el peso se habla de flotación total La cimentación flotante de una estructura se basa en el mismo principio que la flotación de un barco. El barco desplaza un peso de agua igual al suyo propio, de modo que las presiones en el agua a una cierta profundidad bajo el barco son las mismas, independientemente de la presencia de éste. Como el edificio de la Fig. 1.4 tiene un peso específico medio aproximadamente igual a la mitad del agua, y el peso específico del terreno excavado es aproximadamente doble que el agua, el edificio debería enterrarse aproximadamente la cuarta parte de su altura total para obtener una compensación o flotación completa.



Fig. 1.4 Edificio con cimentación superficial por placa.

En este caso particular, el ingeniero hubo de estudiar la economía relativa de esta cimentación superficial especial, respecto a una cimentación profunda por pilotes o cajones. Después de llegar a la conclusión de que era preferible la cimentación superficial, debió responder a cuestiones como las siguientes:

1. ¿A qué profundidad debería cimentarse el edificio en el terreno?
2. ¿Habría que proteger la excavación mediante un muro o pantalla durante la construcción, para evitar la penetración o desprendimiento del terreno?
3. ¿Sería necesario abatir el nivel freático (drenaje) para excavar y construir la cimentación? y, en caso afirmativo, ¿qué métodos deberían emplearse para ello?
4. ¿Habrá peligro de daños a los edificios adyacentes? (En capítulos posteriores se demostrará que el descenso del nivel freático bajo un edificio puede ocasionar asentamientos considerables. Resulta por ello, muy importante la cuestión de cómo y durante cuánto tiempo puede hacerse descender el nivel freático).
5. ¿Cuánto se asentaría el edificio terminado? ¿Sería uniforme este asentamiento?
6. ¿Qué esfuerzos y distribución de los mismos deberían considerarse para el proyecto de la placa de cimentación?


Proyecto de un Sistema de Cimentación.

Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente debe poseer una cimentación adecuada.

Cuando el terreno firme está próximo a la superficie, una forma viable de transmitir al terreno las cargas concentradas de los muros o pilares de un edificio es mediante zaparas, como se ilustra en la figura 1.1. Un sistema de zapatas se denomina cimentación superficial. Antiguamente, se empleaban, como zapatas, entramados de madera o metal, capas de grava, etc., aunque actualmente las zapatas son, casi sin excepción, de concreto armado (*).



Fig. 1.1 Edificio con cimentación superficial por zapatas.

*En españa y otros países es más familiar el término hormigón (N.T.)ç

Fig. 1.2 Edificio cimentado sobre pilotes.

El problema de proyectar con éxito una cimentación es mucho más amplio que la simple fijación de tamaños para las zapatas o la elección del número correcto y el tamaño de los pilotes.

En muchos casos, el costo de la cimentación de un edificio se puede reducir mucho, aplicando al suelo ciertos tratamientos. Por otro lado, algunas estructuras como los depósitos de acero, pueden cimentarse directamente sobre un relleno de suelo especialmente tratado, sin necesidad de recurrir a elementos estructurales. Así pues, la palabra cimentación se refiere tanto al terreno situado bajo la estructura como a cualquier elemento que sirva para transmitir las cargas; es decir, cimentación es todo aquello cuyo comportamiento estudia el ingeniero con el fin de proporcionar un apoyo satisfactorio y económico a una estructura. De hecho, la palabra cimentación se emplea para describir el material que soporta cualquier tipo de estructura como un edificio, presa, terraplén de carretera o aeropista. En el lenguaje moderno, el térnino cimentación superficial se emplea para describir un sistema constructivo en el que las cargas de la estructura se transmiten directamente al terreno situado bajo la misma, y el de cimentación profunda se aplica a aquellos casos en los que se emplean pilotes, cajones o pilas para transmitir las cargas a un terreno firme situado a cierta profundidad.

En el proyecto de cualquier sistema de cimentación, el problema fundamental es evitar que se produzcan asentamientos suficientemente grandes para dañar la estructura o dificultar sus funciones. La magnitud del asentamiento permisible depende del tamaño, tipo y utilización de la estructura, tipo de cimentación, causa de los asentamientos en el terreno y emplazamiento de la estructura. En la mayoría de los casos, el asentamiento crítico no es el total sino más bien el diferencial o movimiento relativo de dos partes de la estructura.

En la mayoría de las zonas urbanas de los Estados Unidos y Europa Occidental, los propietarios de edificios rehusan aceptar asentamientos superiores a algunos centímetros ya que pueden producirse grietas de aspecto poco agradable, si los asentamientos son mayores Por ejemplo, la experiencia ha demostrado que asentamientos superiores a unos 12 cm han producido el agrietamiento de los muros de ladrillo y mampostería de los edificios situados en los terrenos del M.I.T.

Sm embargo, cuando las condiciones del terreno son muy malas, los propietarios aceptan algunas veces asentamientos importantes y el agrietamiento consecuente, con el fin de evitar los costos notablemente superiores de las cimentaciones profundas respecto a las superficiales. Por ejemplo, en fa línea costera de la ciudad de Santos, en Brasil, se cimientan, directamente sobre suelo blando, edificios de apartamentos de 15 pisos. Asentamientos hasta de 30 cm son frecuentes. Se aprecian grietas en tales edificios, pero la mayoría de ellos permanecen habitados.

Quizás el caso más clásico de malas condiciones de cimentación sea el de la ciudad de México. En ésta, por ejemplo, el edificio del Palacio de Bellas Artes, que aparece en la Fig. 1.3, se mantiene en servicio aunque se ha hundido 360 ni respecto al terreno circundante. Los visitantes, que antiguamente tenían que subir las escaleras hasta la planta baja, deben bajadas ahora hasta la misma, debido a los grandes asentamientos.

En estructuras que no son de edificación, con frecuencia se suelen tolerar asentamientos importantes. Asentamientos superiores a 0.50 m son bastante habituales en el caso de estructuras flexibles, como depósitos de almacenamiento y terraplenes. Por otra parte, asentamientos de sólo 0.02 cm pueden ser inadmisibles, en el caso de cimentaciones para estaciones de radar y aceleradores inicie ares.

Fig. 1.3. Palacio de las Bellas Artes, ciudad de México. El asentamiento diferencial de 2 m entre la calle y el edificio de la derecha hizo preciso construir una escalinata a la que se iban añadiendo peldaños según progresaban los asentamientos. El hundimiento general de esta parte de la ciudad es de 7 m.

Problemas Planteados por el Terreno en la Ingeniería Civil.

En su trabajo práctico el ingeniero civil ha de enfrentarse con muy diversos e importantes problemas planteados por el terreno. El terreno le sirve de cimentación para soportar estructuras y terraplenes; emplea el suelo como material de construcción; debe proyectar estructuras para la retención o sostenimiento del terreno en excavaciones y cavidades subterráneas y el suelo interviene en gran número de problemas particulares. Este capitulo describe la naturaleza y el alcance de estos problemas de ingeniería, junto con algunos de los términos que emplea el ingeniero para describirlos y resolverlos. Se incluyen algunos casos reales para aclarar el tipo de cuestiones que un ingeniero debe atender, al trabajar con suelos.

Cuando el terreno firme no está próximo a la superficie, un sistema habitual para transmitir el peso de una estructura al terreno es mediante elementos verticales como pilotes (Fig. 1.2), cajones, o pilas. Estos términos no tienen una clara definición que los distinga unos de otros. En general los cajones y pilas son de mayor diámetro que los pilotes y requieren una técnica particular de excavación, mientras que los pilotes se suelen hincar por golpeo. El peso del edificio se transmite a través del suelo blando hasta una base firme que está debajo, sin que prácticamente ninguna parte de la carga del edificio descanse sobre el terreno blando.

Fig. 1.2 Edificio Cimentado sobre pilotes.


Cimentaciones en Zonas de Subsidencia.

La subsidencia es un asentamiento del terreno a gran escala, creándose cubetas de centenares de metros o incluso kilómetros.

Su origen suele deberse a actividades humanas como la minería, la ejecución de túneles u obras subterráneas, la extracción de agua o petróleo, etc. Un caso clásico es la ciudad de México.

Ante este problema no valen las soluciones convencionales ya que el foco de los movimientos está muy profundo y el terreno asienta de forma desigual, marcándose en superficie acusadas curvaturas e inflexiones. La situación suele agravarse por el carácter evolutivo de las cavidades mineras.

En el caso de cavidades a poca profundidad puede pensarse en rellenarlas con hormigón o morteros inyectados, o bien apoyar por debajo de las mismas mediante pilotes. Sin embargo, en la mayor parte de los casos no es posible alcanzar un estrato estable por lo que se recurre a sistemas de construcción flexibles o, más raramente, se preveen dispositivos para corregir mediante gatos los movimientos de la cimentación.

Sin entrar en los citados sistemas, relativamente sofisticados, merece mencionarse el desarrollo en Inglaterra desde 1956 por el Consortium of Local Authorities Special Programme (CLASP). La cimentación consiste en una losa de base lisa (apoyada sobre polietileno) para permitir el deslizamiento horizontal del terreno. En la superestructura se emplean materiales ligeros para reducir peso. Los pórticos van articulados, salvo los contravientos, y los forjados actúan como diafragmas horizontales con posibilidad de flexión. Cerramientos, tabiques y acristalados están montados con juntas flexibles para permitir un cierto grado de distorsión, las escaleras van articuladas, etc.

Cimentaciones en Zonas Sísmicas.

Los efectos de un terremoto sobre un edificio dependen, además de su concepción estructural, de la forma en que las ondas sísmicas se transmitan al mismo a través del terreno y de su cimentación.

La transmisión hasta un edificio de las ondas generadas en el epicentro de un terremoto es un fenómeno muy complejo en el que interviene la deformabilidad dinámica del terreno (las ondas se amortiguan antes en suelos flojos, rocas blandas, etc.) los espesores de recubrimiento del substrato rocoso, los accidentes geológicos, etc. Ello hace que en una misma ciudad, un seísmo afecte de forma muy desigual de unos barrios a otros y sólo en zonas de gran sismicidad (San Francisco, México, etc.) se dispone de mapas urbanos de riesgo potencial. En los demás casos hay que contentarse con estimaciones o normas generales.

En un caso concreto el problema consiste en prever la forma en que las vibraciones del substrato se transmiten al edificio a través de su cimentación, diseñando ésta para que los efectos sean lo menos perjudiciales posibles.

En general, las cimentaciones muy rigidizadas mediante riostras de tamaño adecuado o mediante losa, hacen que todo el edificio deba moverse en la misma fase con lo que Los movimientos diferenciales quedan muy atenuados.

Así, en La norma sismorresistente española PDS-l (1974) se obliga a arriostrar las zapatas en la zona sísmica primera, resultando en cualquier caso el coeficiente sísmico para losas menor que el de zapatas. Las mismas prescripciones aparecen prácticamente en toda la normativa mundial.

Respecto al comportamiento sísmico de edificios con cimentaciones profundas, existen opiniones contradictorias entre las normativas. Así, en toda la normativa europea salvo la alemana, y en la japonesa y americana, el coeficiente sísmico es algo menor, para e! caso de cimentación profunda que en el de cimentación superficial, mientras que en la norma alemana (DIN-4149) el coeficiente sísmico es el doble en el caso de construcción por pilotes (0, 10) que en el de cimentación superficial (0,05).

Por Otro lado, e independientemente del valor que se adopte del coeficiente sísmico, la cimentación profunda hace que el edificio se comporte como si tuviera una altura mayor, elevando también el centro de gravedad de las masas, con lo que el mecanismo equivalente está menos coaccionado frente a movimientos oscilatorios; esto es, para aceleraciones o velocidades de! mismo orden, las fuerzas sísmicas sehan menores en el caso de pilotes que en el de cimentación superficial.

En cualquier caso, y considerando estos factores, la sismicidad de una zona no obliga a elegir una determinada tipología de cimentación, y solamente hará necesario aumentar el arriostramiento entre los distintos elementos de apoyo, con lo que resultarán más adecuadas las cimentaciones que por su naturaleza supongan un alto grado de arriostramiento (losa y zapatas corridas) frente a las de menor arriostramiento (pilotes y zapatas aisladas).

Terrenos problemáticos para Cimentaciones.

Existen diversos tipos de terrenos en los que las soluciones tradicionales no son válidas o requieren determinadas adaptaciones. En ellos suele ser necesario realizar estudios detallados, generalmente con auxilio de especialistas. Pueden citarse al respecto:

a) Suelos con materia orgánica
Se distinguen por la presencia de materiales fibrosos o esponjosos (turbas), raíces, hojas y restos vegetales, etc., olor a pudrición orgánica, elevada humedad y coloración negruzca o grisácea. Se encuentran en zonas pantanosas y lacustres, antiguas albuferas y estuarios, meandros abandonados de ríos, marismas, etc.
Pueden ser de naturaleza limosa. arcillosa o incluso arenosa. Bajo carga dan lugar a asientos importantes con el tiempo. por descomposición de la materia orgánica, consolidación y colapso.

Normalmente deben adoptarse precauciones cuando el contenido en materia orgánica (según UNE-7368) supera el 10% en la zona de influencia de la cimentación y emplear soluciones especiales de cimentación por encima dci 20%.
Los efectos son más graves cuando el terreno orgánico está bajo el nivel freático o en la zona de oscilación del mismo.

Estos suelos suelen encontrarse en las antiguas albuferas de Levante (la mayor
parte ahora cubiertas), en las marismas de Huelva y en los estuarios de ríos del Cantábrico. También en lagunas o zonas pantanosas interiores desecadas.

No es aconsejable cimentar sobre ellos, pues la descomposición de la materia orgánica da lugar a asientos. Además suele tratarse de terrenos flojos y poco resistentes. Es necesario, por tanto, substituirlos o atravesarlos con cimentaciones profundas.

b) Suelos cola psables
Son suelos de estructura floja en razón de su forma de deposición. Es el caso de los limos yesífcros. los suelos eólicos (dunas antiguas). el loess (partículas de limo unidas por puentes de carbonatos), acumulaciones de cenizas volcánicas, etc. En estado seco son estables y resistentes pero al saturarse. o por efecto de las vibraciones sufren asientos importantes y repentinos. Estos suelos son característicos de regiones áridas, con niveles freáticos muy profundos. Se encuentran en el Valle del Ebro (Zona Tarazona-Mequinenza), Valle medio y bajo del Záncara. Canarias, etc.

Los sondeos con agua pueden alterar totalmente su estructura, por lo que son preferibles catas o prospecciones en seco. Una excesiva facilidad de perforación. en suelos de naturaleza no arcillosa, puede indicar un terreno colapsable.

Cuando no se disponga de una identificación geológica directa, pueden resultar indicativos los aspectos siguientes:

—Aspecto limoso, con pequeñas oquedades, huecos de raíces, etc., o granos de arena unidos puntualmente por elementos cementantes de coloración diversa que pueden ser arrastrados por el agua (yeso. carbonatos, etc.).

—Muy bajo peso específico seco (generalmente menor de 1,4 t/m3).

—En el caso de arenas, un índice de compacidad muy bajo (ID < 0,5) o una resistencia a la penetración estándar menor de N = 10. 

—Si el suelo tiene plasticidad existe riesgo de colapso si


—Se tallan dos terrones iguales de suelo (V = 8 cm3) y a uno de ellos se le añade agua, moldeándolo en la mano hasta formar una bola húmeda y plástica. El suelo puede ser colapsable si el volumen de esta bola es del orden deL 30% o menor que el del terrón dejado como referencia.

—Un cilindro de suelo de altura H0 se coloca en un edómetro (o un recipiente comparable) bajo una presión de 2 Kp/cm2. inundándolo a continuación con agua y dejándolo asentar 24 horas. Si el asiento
producido es superior al 5% de H0), existe el riesgo de colapso.

c) Suelos expansivos
Son materiales arcillosos preconsolidados con apreciables cambios de volumen por variaciones de humedad. Los efectos son más importantes en climas secos y áridos y cuanto más Ligero sea el edificio. En época seca se forman grandes grietas en el terreno siguiendo un motivo hexagonal, mientras que en época de lluvias se adhieren al calzado y forman barros muy pegajosos. En general presentan coloración gris verdosa, marrón rojiza o amarillenta, pero el color por sí solo no es un carácter distintivo.

Debe sospecharse la expansividad o retracción de las arcillas cuando:

—EL terreno sea muy duro de excavar y en él aparezcan fisuras, lisos o planos de aspecto jabonoso.

—Las excavaciones expuestas al sol se degradan rápidamente, agrietándose y desprendiéndose terrones de forma cúbica.

—Existan grietas en la superficie del terreno en tiempo seco.

—Se aprecien grietas en muros, tapias o edificios de una planta.

—Los taludes naturales presenten deslizamientos superficiales o reptaciones.

—El límite líquido sea   >= 60 e IP >= 35, con más del 85% pasando por el tamiz n.° 200.

—Los anilisis mineralógicos indiquen la presencia de montmorillonita o haloysita.

A pesar (le estas indicaciones resulta muy difícil calibrar el grado de expansividad del terreno por lo que debe recurrirse a detallados ensayos de laboratorio (presión de hiiiclnimieno. hinchamiento libre, doble edórnetro. relaciones succión-hume dad, etc.).

Desarrollan expansividad apreciable los depósitos miocenos del Sur de Madrid, hasta Illescas; grandes áreas de Andalucía: Area Jaén-Mancha Real. Arco Sevilla- Huelva, Corredor Tabernas-Vera y Campo de Níjar en Almería, la Campiña de Córdoba, las arcillas del Aljibe (Málaga-Cádiz), etc. Otras áreas significativas son: el Campo de Calatrava (Ciudad Real), el Somontano de Huesca, el Bajo Jiloca. etc.

El tipo de cimentación depende del grado de expansividad del terreno y del tipo de edificio, existiendo una extensa problemática que ha sido tratada en otro lugar (1).

d) Terrenos kársticos.
En formaciones calizas o yesíferas pueden existir problemas de disolución, con formación de huecos más o menos grandes que pueden hundirse bruscamente afectando a las edificaciones cimentadas sobre ellas.
Estos fenómenos suelen estar ya indicados en los antecedentes geológicos de las zonas con problemas. Suele ser necesario realizar campañas de prospección muy especializadas (fotogeología. gravimetría, trazadores, etc.) ya que el carácter errático de las oquedades hace poco útil una investigación convencional.
Son típicas las formaciones calizas de las Cordilleras Ibérica y Cantábrica, debiendo sospecharse este riesgo cuando existen en el entorno cuevas prehistóricas, estalactitas, etc.

Los yesos suelen presentar karstificaciones en las partes centrales de las cuencas sedimentarias correspondientes. siendo típicos estos fenómenos en formaciones miocenas de las provincias de Madrid, Toledo, Valladolid, Cuenca, Zaragoza. etc.

Independientemente de la valiosa experiencia local, pueden sospecharse estos problemas cuando:

—Existen en el terreno zonas hundidas con ftrrmi de embudo o pozo cegado (dolinas).

—Desaparecen en el terreno las aguas de fuentes o cursos de agua naturales o artificiales.

—En los sondeos en roca se pierde el agua de perforación o el tren de perforación desciende a veces con excesiva rapidez.

—Los testigos extraídos muestran huellas de disolución, cavidades, zonas rellenas de arcilla, etc.

El reconocimiento de estos terrenos es muy difícil y en el caso de cargas fuertes puede requerir investigaciones puntuales bajo cada zapata. Otras veces se 0pta por atravesar la zona karstificada con cimentaciones profundas.

e) Rellenos
Debe sospecharse la existencia de rellenos importantes cuando:

—Los ensayos de penetración dan valores muy bajos. eventualmente alternando con otros elevados, alcanzándose el rechazo a profundidades muy diferentes en distancias cortas.

—Los testigos de sondeos o las catas muestran restos de cascotes, ladrillos. tierra vegetal, etc.

—La columna de sondeo es relativamente homogénea pero con una parte superior más floja que el resto.

Es importante conocer los usos y la topografía anterior del solar en previsión de los movimientos de tierras vertidos, etc., que hayan podido producirse.

No son aconsejables para cimentar por su elevada compresibilidad, generalmente muy errática. Deben eliminarse o atravesarlos con pozos o pilotes.

f) Laderas inestables
Exigen una fijación previa a cualquier obra de cimentación. En casos especiales puede cimcntarse bajo la zona deslizante adoptando medidas para que ésta no transmita empujes a las partes enterradas de los edificios.

Debe sospecharse la existencia de movimientos de ladera cuando:

—Se aprecian grietas u ondulaciones en el terreno.

—Los troncos de los árboles presenten concavidad hacia la parte superior del talud.

—Se observen cambios de coloración o fallos en la vegetación o existan edificaciones con problemas.

En estos casos la prospección debe dirigirse en principio al análisis de los factores de inestabilidad va que su corrección es previa a cualquier operación constructiva.

Habitualmente estos fenómenos están asociados a materiales limo-arcillosos o margosos en áreas de pluviometría media u alta o a suelos residuales y rocas alterables en zonas de relieve movido.

En otros casos los problemas se derivan de condición especiales existentes en el terreno. Tal es el caso de:
a) Terrenos agresivos al hormigón. Son aquellos en los que existe un porcentaje apreciable de sales o elementos nocivos para el hormigón de las cimentaciones. Entre ellos destacan los sulfatos y el magnesio.
 

Los efectos de estas condiciones agresivas dependen de La existencia de agua, de su presión y de la permeabilidad del terreno, así como de las dimensiones expuestas de la cimentación y de la calidad del hormigón empleado.

Actualmente el problema se soluciona con relativa facilidad mediante el empleo de cementos especiales. Sin embargo, en determinados casos de agresividad de origen industrial (ácidos fuertes) no es suficiente con variar el tipo de cemento, debiendo recurrirse a proteger las cimentaciones con revestimientos especiales (metálicos, cerámicos antiácido, plásticos, etc.)
 

b) Efectos térmicos
Son Los derivados de agentes exteriores como la helada, o del propio edificio como instalaciones de calefacción o refrigeración deficientemente aisladas.
 

En el primer caso se consigue la adecuada protección con una profundidad suficiente de las cimentaciones bajo la superficie, que para las zonas más criticas de nuestro país puede estimarse en 1,20 m. Los terrenos limosos son los más susceptibles a la helada, seguidos de las arcillas y en último lugar las arenas y gravas.
 

Los problemas derivados de las instalaciones del propio edificio deben tratarse en origen, disponiendo el aislamiento adecuado. Especialmente típicos son los hinchamientos por congelación del terreno bajo almacenes frigoríficos y la retracción producida por hornos en funcionamiento durante largo tiempo.

Cimentaciones en Rellenos Artificiales Compactados.

Es una práctica relativamente frecuente rellenar vaguadas con terrenos de aportación compactados por tongadas, con la misma técnica empleada en los terraplenes de carreteras. Estos rellenos pueden considerarse de buena calidad para cimentar superficialmente, admitiendo presiones de trabajo del orden de 2 kp/cm2, siempre que se cumplan las siguientes condiciones:

—El relleno se haga con materiales adecuados, preferentemente del tipo arena arcillosa (arena de miga) o materiales granulares con un contenido de arcilla no excesivo y exentos de elementos degradables o agresivos.

—El terreno de apoyo sea firme y de perfil suave, desbrozando y eliminando la capa vegetal y los terrenos flojos superficiales, así como cualquier tipo de blandón, zona anegada, etc.

—La compactación se haga por tongadas delgadas (e  <= 30 cm), como mínimo al 100% del Proctor

Normal y existiendo un riguroso control de densidades y humedades de puesta en obra. Debemos señalar que este control es difícil cuando se trata de áreas extensas. Suele ser aconsejable una verificación post-constructiva mediante penetrómetros, placas de carga, etc.

Estos rellenos pueden sufrir algunos asientos por saturación o inundación por lo que es importante el control de los saneamientos, evitando al máximo las fu gas accidentales.

Cimentaciones en Rellenos Artificiales Gruesos.

Es el caso de la edificación sobre terrenos ganados al mar por vertido de escolleras o materiales de cantera o cuando se construye sobre antiguas escombreras de mina, escorias industriales, etc., pedraplenes o zonas de vertido de desmontes rocosos.

Estos rellenos suelen tener una compresibilidad elevada, y muy variable, de unos puntos a otros, lo cual hace aconsejable evitax la cimentación directa. Sin embargo, la ejecución de pilotajes tropieza con grandes dificultades ya que no es posible hincar pilotes prefabricados, ni los bloques de roca pueden atravesarse con las máquinas convencionales. La cimentación suele requerir estudios muy especializados, pudiendo citarse como soluciones más frecuentes:

—La mejora del relleno mediante inyecciones, compactación dinámica, vibroflotación, etc., colocando después una Josa suficientemente rígida.

—Sustitución completa del material cuando su espesor no es muy grande.

—Ejecución de pilotes, perforando a rotación con maquinaria especial, o substituyéndolo por numerosos micropilotes.

CASOS ESPECIALES DE CIMENTACIÓN.

1. Rellenos artificiales gruesos. Es el caso de la edificación sobre terrenos ganados al mar por vertido de escolleras o materiales de cantera....

2. Rellenos artificiales compactados. Es una práctica relativamente frecuente rellenar vaguadas con terrenos de aportación compactados por tongadas, con la misma técnica empleada en los terraplenes de carreteras....

3. Terrenos problemáticos.

4. Cimentaciones en zonas sísmicas.

5. Cimentaciones en zonas de subsidencia.

CIMENTACIONES EN TERRENOS HETEROGENEOS.

Muy frecuentemente el terreno se compone de estratos de muy diversa naturaleza y propiedades, no necesariamente mejores al avanzar en profundidad. En otros casos la variabilidad se da en planta, cambiando en distancias cortas el tipo de terreno o apareciendo lentejones o bolsadas de distinta naturaleza.

Debe ser el reconocimiento geotécnico el que defiria la estratigrafía del terreno y alerte sobre sus variaciones, cambios laterales, etc., ya que sin dicha información el diseño de las cimentaciones puede resultar deficiente.

a) Variabilidad vertical
Si el terreno está formado por capas de resistencia creciente con la profundidad, ya sean granulares o cohesivas, el problema se limita a elegir aquel nivel en el que existe una capacidad portante suficiente, bien para cimentaciones superficiales o profundas.

Cuando entre las capas resistentes están intercaladas otras blandas y deformables debe estudiarse en qué forma estas últimas reducen la capacidad portante de las primeras. En el caso de zapatas existen algunas soluciones (ver capítulo 2) para valorar esta influencia y controlar el riesgo de punzonamiento o extrusión.
Cuando existen zapatas próximas o una losa de cimentación, la superposición de tensiones hace que contribuyan a los asientos capas blandas relativamente profundas por lo que deben estudiarse las existentes en profundidades de! orden de 1,5 veces el ancho de la superficie cargada.

En el caso de cimentaciones por pilotaje la influencia de las capas blandas puede hacer que al profundizar un pilote esté en peores condiciones que otro más superficial pero más alejado de una capa de baja resistencia. Análogamente los asientos de un grupo de pilotes pueden ser comparables a los de una cimentación superficial si sus puntas están próximas a un estrato compresible.

Debe observarse que a veces es la presencia del niveL freático la que crea una zona blanda, sin que cambie la naturaleza del terreno.

Otra situación diferente se plantea cuando en el terreno existe una costra o capa de alta resistencia, muy difícil de atravesar. Si queda por debajo de los sótanos previsibles, lo ideal seria apoyar directamente en la citada capa pero ello no puede hacerse sin comprobar su espesor y que por debajo no existen capas blandas que puedan permitir su rotura por punzonamiento. Si la costra queda por encima de la excavación prevista conviene hacer un estudio de alternativas, entre ellas la de reducir la profundidad de sótanos, ya que la eliminación de la capa resistente, generalmente costosa y requiriendo explosivos, puede dar lugar a tener que buscar un firme profundo y a tener que cimentar mediante pilotaje.

b) Variabilidad horizontal
En cuanto la planta de un edificio es un poco grande (digamos superior a 300 m2) existe cierto riesgo de que las condiciones del terreno varíen de unos puntos a otros.

Este riesgo puede ser muy grande en terrenos con problemas de disolución o en formaciones cuaternarias de intensa actividad fluvial (meandros divagantes, paleocauces, etc.).

En otros casos el substrato firme presenta un perfil muy tortuoso como en el caso de suelos residuales sobre rocas ígneas o metamórficas o rellenos erráticos.

Las situaciones citadas dan lugar a asientos diferenciales y distorsiones por lo que es muy importante conocerlas antes de proyectar la cimentación. Cuando los asientos previsibles son moderados puede resolverse el problema mediante cimentaciones diferenciadas, trabajando con diferentes presiones y adoptando una disposición de juntas apropiada. Si ni aún así se consigue reducir los asiento diferenciales a límites tolerables debe pensarse en una cimentación por pilotaje o una mejora del terreno,

Esta situación puede tener efectos graves en el caso de edificios altos cimentados por losa ya que la existencia de unos lentejones blandos en una parte del solar puede producir inclinaciones inadmisibles del edificio, costosisimas de corregir.

PROYECTO Y EJECUCIÓN DE CIMENTACIONES: INFLUENCIA DEL NIVEL FREATICO.

La existencia de un nivel freático alto constituye un factor de gran importancia en el proyecto y ejecución de cimentaciones, si bien sus efectos están asociados a la naturaleza del terreno y en particular a su permeabilidad.

La acción más directa se traduce en empujes hidrostáticos sobre los muros de sótano y subpresiones sobre las obras de cimentación.

Como más frecuentes pueden considerarse los casos siguientes:

a) Suelos arcillosos blandos
La saturación del terreno por el agua freática presta a éste una consistencia blanda o fluida lo que da lugar a una resistencia baja, permitiendo presiones de trabajo muy pequeñas, y a problemas de estabilidad en los taludes y fondo de excavaciones.

La fluencia lateral de los taludes puede inducir asientos y deformaciones en los edificios adyacentes, siendo generalmente necesario recurrir al empleo de pantallas in sit u, las cuales deben calcularse para fuertes empujes.

Por otra parte, el levantamiento del fondo también puede inducir inestabilidad periférica y, aun sin llegar a la fase de rotura, la carga del terreno subsiguiente
a la excavación suele dar lugar a asientos considerables.

b) Suelos arcillosos duros y consolidados 
La presencia del nivel freático se traduce en pequeños caudales de agua hacia las excavaciones, generalmente a través de lisos y fisuras, sin llegar a afectar a taludes moderados o a la capacidad portante del terreno.

Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que la posición más frecuente del nivel freático suele marcar una zona de menor resistencia, generalmente en una franja de 1-2 m de espesor. Es importante evitar esta zona, quedándose por encima o por debajo de la misma. No es raro el caso en que por profundizar excesivamente en busca de un terreno más firme empeoran bruscamente las condiciones de cimentación al alcanzar e! nivel freático.

Algo diferente es el caso en que estos suelos presentan características de expansividad. Cuanto mayor sea la proximidad al nivel freático menor será el riesgo de cambios de volumen, si bien es necesario llegar a un compromiso entre esta condición y el riesgo de reducción de la capacidad portante.

c) Suelos arenosos
Debido a su elevada permeabilidad debe evitarse tener que cimentar bajo el nivel freático. Si ello resulta necesario (por ejemplo, para construir sótanos) se impone la construcción de un recinto estanco (pantallas, tablestacas, etc.) y un agotamiento del agua que puede penetrar por el fondo. Si existiera riesgo de sifonamiento habría que lograr rebajar el nivel mediante pozos, well-points, etc.

En razón de la permeabilidad las oscilaciones de los niveles freáticos pueden ser importantes en estos suelos, por lo que es aconsejable una determinación precisa de los mismos en distintas épocas del año. La cimentación debe colocarse bien por encima del nivel máximo posible o claramente a! ras del nivel más deprimido compatible con el programa de construcción con el fin de evitar que la inmersión posterior del terreno en la zona de influencia de las cimentaciones dé lugar a fenómenos de colapso o asientos bruscos, tanto más importantes cuanto más flojo esté el suelo en su estado original.

CIMENTACIONES: Otras soluciones para la utilización.

No siempre la solución más adecuada o económica se consigue con los tipos tradicionales de cimentación, si bien el apartarse de la rutina require una considerable experiencia y especialización.

En algunos casos se trata de modificaciones de sistemas convencionales, como son:

— los zapilotes, o combinación de pilotes cortos y una base ensanchada o zapata.
— los pilotes con bulbos o ensanchamientos a lo largo del fuste. En otros, se combinan distintas soluciones:
— la losa sobre pilotes flotantes.
— los emparrillados sobre pozos de cimentación.
— la zapata sobre columnas de grava o tapices de tierra armada.

y más frecuentemente la cimentación va precedida de un tratamiento o mejora del terreno:

— Compactación vibratoria en profundidad, generalmente con adición de grava u otros materiales.
— Inyección de diversos productos (cemento, resinas, gel de sílice, etcétera).
— Compactación dinámica superficial.

Cimentaciones por pilotaje.

En líneas generales, la cimentación por pilotaje está indicada cuando:

— No existe firme en una profundidad alcanzable con zapatas o pozos (D > 5 m).
— Se quieren reducir o limitar los asientos de edificio.
— La permeabilidad u otras condiciones del terreno impiden la ejecución de cimentaciones superficiales.
— Las cargas son muy fuertes y concentradas (caso de torres sobre pocos pilares).
— Se quiere evitar la incidencia sobre cimentaciones adyacentes.

Cuando el firme está profundo y hay que recurrir a un pilotaje, la solución es inmediata si Las cargas están concentradas pero no sucede lo mismo cuando entre unos pocos pilares hay grandes superficies cargadas como es el caso de naves industriales, almacenes, iglesias, etc. En estas condiciones resulta económicamente inviable pilotar toda la superficie edificada y tampoco es aconsejable pilotar sólo los pilares dejando el resto como una solera flotante ya que los asientos diferenciales llevarían a una situación funcionalmente inaceptable.

No hay más remedio en estos casos que mejorar el terreno para reducir al máximo su deformabilidad, lo cual puede conseguirse por precarga, vibroflotación, consolidación dinámica, inyecciones, etc. Según el nivel de mejora alcanzado la solución global puede ser una cimentación superficial de pilares y solera o el pilotaje de los pilares y el apoyo directo de las soleras.

La selección de uno u otro tipo de pilote tiene considerable importancia y requiere cierta experiencia ya que es frecuente el empleo de pilotes inadecuados al problema que se plantea, bien por defecto de proyecto o por esforzarse el CQntratista en emplear el pilote que fabrica o que le es más asequible.

En la selección del tipo de pilote intervienen:

— La naturaleza de las distintas capas del terreno y su resistencia.
— El espesor de terreno a atravesar o la longitud previsible de los pilotes.
— Las cargas a transmitir.
— El número de pilares a cimentar o, en definitva, el volumen de la obra de pilotaje.
— Condicionantes especiales como el trabajo en zona urbana, la agresividad del terreno, la existencia de fuerzas horizontales o dinámicas, el riesgo de rozamiento negativo, etc.

Estos factores tienen una mayor o menor influencia según el caso de que se trate y están interrelacionados, lo cual imposibilita una elección inmediata de un determinado tipo de pilote, dándose a menudo el caso de existir varios tipos posibles, entre los que se elige por consideraciones económicas, de plazo, etc.

Sin embargo pueden hacerse algunas recomendaciones útiles en los casos más frecuentes:

— Los pilotajes flotantes en arcillas deben evitarse, pero cuando resultan obligados por estar el firme muy profundo (> 30 m) suelen realizarse con pilotes ¡ti situ en una vaina perdida hincada previamente. Si el terreno es relativamente firme, de modo que la perforación se mantiene lo suficiente para hormigonar, sin necesidad de revestimiento, están indicados los pilotes in situ y los barrenados.

— En el caso de pilotajes en terreno arenoso flojo interesa conseguir la mejora o compactación del terreno por lo que se emplean los pilotes prefabricados hincados y los apisonados al amparo de una entibación considerable, con bulbo en la base (tipo Franki). Si el terreno granular es compacto, la hinca debe ayudarse con lanza de agua o incluso hacer una perforación previa (eventualmente mantenida con lodos bentoníticos).

En este caso pueden ser ventajosos los perfiles o pilotes metálicos de pequeña sección y más fácil hin- ca. Sin embargo, es raro tener que recurrir a pilotajes en suelos granulares compactos.

— Si en el terreno existen gravas gruesas, bolos, capas cementadas, restos de demoliciones, etc., que impiden o dificultan las hinca de pilotes habrá que recurrir a pilotes perforados, de diámetro preferentemente grande, y normalmente con entubación.

— Los pilotes in situ, perforados sin entubación, están indicados en terrenos cohesivos compactos, con poca agua, eventualmente con alguna capa dura (atraesable con trépano).

— Los pilotes barrenados no pueden ejecutarse en terrenos duros o cementados ya que el avance de la hélice exigiría un par motor excesivo para la maquinaria usual.

— Cuando en el terreno existen capas artesianas pueden producirse problemas al atravesarlas con pilotes de extracción, sobre todo si se trata de arenas flojas que se sifonan. Igualmente pueden presentarse problemas en el hormigonado si existe circulación importante de agua, existiendo riesgo de deslavado del hormigón.

— Cuando se pueda alcanzar una base firme de apoyo en profundidades razonables deben emplearse pilotes-columna apoyados en dicha base ya que es la mejor forma de aprovechar la capacidad resistente de la cimentación. A este fin los pilotes prefabricados hincados convienen en longitudes moderadas (> 20 m) para evitar uniones, desvíos de instalación, eventuales pandeos, etc1 Los pilotes iii situ (con o sin entubación, según el terreno atravesado) deben tener un diámetro proporcional a la profundidad para efectuar correctamente el hormigonado.

— Respecto al volumen de obra, los pilotes prefabricados requieren el empleo de gran número de unidades (>100) para justificar un par- que de fabricación. En el mercado existen algunos tipos patentados (como el Herkules o el Raymond) que pueden encargarse para obras pequeñas. Los pilotes de gran diámetro, que requieren importante maquinaria y equipos, también precisan volúmenes de obra apreciables para amortizar traslados e instalación. El pilote ¡ti situ, el barrenado y el apisonado son mucho más versátiles y se adaptan mejor a obras de tamaño medio a pequeño.

— En función de las cargas previstas y teniendo en cuenta que la cimentación resuLtará económica cuantos menos pilotes se coloquen, los pilotes prefabricados están indicados para carga por pilar bajas (> 200 t), los pilotes óonvencionales ¡ti situ para cargas medias (200 - 700 t) y los de gran diámetro para cargas grandes (> 700t).

— Los pilotes hincados no pueden emplearse cuando los impactos generen perturbaciones ambientales (ruidos, vibraciones, etc.) no tolerables o cuando puedan inducirse asientos o fenómenos de inestabilidad en edificios próximos.

Cimentaciones por pozos.

Las cimentaciones semiprofundas se utilizan cuando:

— El terreno firme o la zona estable se encuentran a una profundidad demasiado grande para construir zapatas convencionales pero no lo suficientemente para obligar al empleo de pilotes, es decir, entre 3 y 6 m como valores típicos.

— La obra es tan pequeña que razones de espacio o económicas no justifican recurrir a un pilotaje.

— Existen esfuerzos horizontales que hay que absorber con la colaboración del terreno a empuje pasivo.

Los pozos plantean en algunos casos problemas de agotamiento y muy frecuentemente de entibación y de seguridad del personal. Aunque existió una larga tradición de constructores de pozos de cimentación en ladrillo o mampostería, conectados en cabeza por arcos y bóvedas, actualmente esta actividad ha quedado reducida a obras de recalce. La solución puede ser satisfactoria cuando la excavación es realizable con pala y algo menos cuando se emplea maquinaria para pilotes de gran diámetro.

CONDICIONES DE UTILIZACIÓN: Cimentaciones por losa.

Tal como se señalaba en el Capítulo 4 se llega a la cImentación por losa cuando:

— El área de zapatas ocuparía más del 50% de la planta del edificio para la presión admisible de! terreno.
— Se requiere un sótano estanco bajo el nivel freático (solución a combinar con muros o pantallas también impermeables).
— Se desean reducir los asientos diferenciales en terrenos heterogéneos o con inclusiones o defectos erráticos.
— Interesa conseguir una mayor presión de trabajo aprovechando la descarga producida por la excavación de sótanos, y construyendo una cimentación compensada.

La losa es una solución frecuente cuando las cargas son importantes (por ejemplo edificios de más de 8 plantas) y el terreno tiene una capacidad portante media a baja l,5kp/cm2). Si el terreno es arena floja o de resistencia muy baja (<0.8 kp/cm2) existe riesgo de rotura general (salvo en losas muy extensas) o de grandes asientos por la gran profundidad afectada, en cuyo caso no es una solución apropiada salvo que se mejore previamente el terreno o se reduzcan los asientos, por ejemplo, combinando la losa con un pilotaje. Estas soluciones son casi inevitables cuando el firme en que apoyar unos pilotes- columna está muy profundo.

En el caso de edificios con zonas diferentemente cargadas debe estudiarse la compatibilidad de deformaciones del sistema terreno-losa-estructura, llegándose generalmente a profundidades de cimentación variables, distintas rigideces o a la inevitable introducción de juntas.

Para edificios normales la facilidad constructiva ha obligado a utilizar casi exclusivamente losas de canto constante, prescindiendo de las antiguas soluciones aligeradas, celulares, etc.

A pesar de su aparente sencillez estructural, las losa requieren una ejecución y control cuidadoso por lo que respecta a la colocación de las armaduras, puesta en obra del hormigón, eventuales juntas de hormigonado, etc., por lo que no deben dejarse en manos de contratistas poco solventes.

En el aspecto económico la Josa constituye una solución cara para edificios de poca altura (menos de 6-8 plantas) y su coste puede ser comparable al de algunos pilotajes. (En las comparaciones no deben olvidarse los encepados y riostras del pilotaje).

CONDICIONES DE UTILIZACIÓN: Cimentaciones por zapatas



Es la solución tradicional de cimentación, preferida por su economía y facilida de ejecución. En edificios sobre roca se utiliza con cualquier altura (presione de trabajo hasta 40 kp/cm2 en el World Trade Center y en el Empire Stat sobre granito). Sobre suelos normales la gama usual de presiones varía de 1 3 kp/cm2. Con pilares cada 25 m2, cargas totales de 1.000 kg/m2 por planta una ocupación por Las zapatas no superior al 50% del área del edificio, las pr siones anteriores limitarían las alturas aceptables a 5 y 15 respectivamente, 1 cual da idea de por qué la cimentación por zapatas va perdiendo campo en 1 moderna construcción en altura. Por el contrario deben darse condiciones e cepcionalmente desfavorables para que no puedan cimentarse por zapatas edifi cios de menos de 3 plantas. Dentro de los terrenos naturales podría ser el cas de las arenas muy flojas y de las arcillas muy blandas, pero estas formacione rara vez se encuentran en nuestro país con capacidad portante inferior 1 kp/cm2 (teniendo en cuenta los asientos admisibles).

El empleo de zapatas exige un terreno de resistencia media a alta, sin intercala ciones blandas en la zona de influencia de cada cimentación (la imagen del «bul bo de presiones») o en la afectada por la superposición de presiones de zapata adyacentes.

Cuando no existe este efecto de superposición (grandes luces) cabe aprovechai capas superficiales resistentes (costras desecadas o cementadas, terrazas com pactas, etc.) aunque por debajo existan capas más flojas.
La situación ideal para la ejecución de zapatas es cuando el terreno posee cohe sión suficiente para mantener verticales las excavaciones, no existe afluencia d( agua y el nivel de apoyo se encuentra a menos de 1,50 m bajo la superficie. Er condiciones más desfavorables se han construido zapatas en terrenos inestables. con profundidades de 3-4 m (entrando ya en el campo de los pozos), con enti bación y agotamiento del agua, etc., pero en estos casos el coste de ejecución ya deja de ser competitivo con otras soluciones como las losas o pilotes.

Para edificios ligeros y muros de carga las zapatas corridas, de hormigón en masa, constituyen una solución frecuente. Sin embargo debe pensarse que un 1i gero armado de la base de la zapata y el empleo de hormigones de buena calidad (fck >= 180 kp/cm2) mejora considerablemente el comportamiento de la ci mentación frente a asientos diferenciales, agresividad, etc., con un incremento de coste muy reducido.
Respecto a las zapatas aisladas se han superado ya los laboriosos diseños de zapatas flexibles, con canto variable y optimización de la armadura, en favor de zapatas semirígidas o rígidas de canto constante, eliminando al máximo los encofrados.

Cuando el firme está a más de 1,20 - 1,50 m de profundidad es frecuente rellenar el fondo de la excavación con hormigón pobre, práctica mucho más deficiente que construir las zapatas en el fondo y recrecer con un plinto de hormigón, pero admisible en bastantes casos.

Por su propia naturaleza, las zapatas aisladas permiten que los pilares asienten independientemente y presentan escasa resistencia frente a giros o desplazamientos horizontales. Todo ello hace aconsejable el empleo de riostras uniendo las zapatas, o combinar en una sola zapata las de pilares próximos. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que las riostras, salvo que sean de extraordinaria rigidez, son incapaces de homogeneizar los asientos de las zapatas que conectan.

En una situación límite la combinación de zapatas y riostras Llega a constituir un verdadero emparrillado, concebido como una retícula de zapatas corridas. Es un sistema poco utilizado por el elevado coste de encofrado, lo cual conduce a las soluciones tipo losa. Sin embargo la forma de trabajo es más clara que en las losas y el cálculo se realiza con gran facilidad mediante los programas de estructuras reticuladas.