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.