CIMENTACIONES SUPERFICIALES SOBRE ROCA.

Existen muchas cimentaciones directas sobre roca en las obras de carretera. El estudio de la seguridad frente al hundimiento mediante fórmulas analíticas es complicado, pues no existen modelos de comportamiento en rotura sobre los que se tenga experiencia práctica suficiente.

En casos de rocas muy débiles (qu < 1 MPa) o que estén fuertemente diaclasadas (RQD < 10%) o que estén bastante o muy meteorizadas (grado de meteorización igual o mayor que IV, según la tabla 3.3), se recomienda considerar la roca como si se tratase de un suelo y recurrir a los procedimientos de verificación correspondientes que se indican en esta Guía. Preferiblemente deberá utilizarse el método analítico que se formula en 4.5.5, para cuya aplicación es necesario determinar los parámetros de resistencia de la roca alterada en ensayos de laboratorio (ensayos de corte directo o triaxiales).

 TABLA 3.3. ESCALA DE METEORIZACIÓN DE LA ROCA (ISRM)
ESCALA DE METEORIZACIÓN DE LA ROCA (ISRM)

En caso de rocas menos débiles, menos diaclasadas y menos alteradas que lo indicado en el párrafo precedente, se puede determinar una presión admisible a partir de los datos siguientes:

• Resistencia a compresión simple de la roca sana, qu.
• Tipo de roca.
• Grado de alteración medio.
• Valor del RQD y separaciones de las litoclasas.

Estos parámetros deben ser los representativos del comportamiento del volumen de roca situado bajo la cimentación hasta una profundidad de 1,5 B* , medida desde su plano de apoyo.

La presión admisible puede estimarse mediante la siguiente expresión:

Donde:
pv adm = Presión admisible.
p0 = Presión de referencia. Deberá tomarse un valor de 1 MPa.
qu = Resistencia a compresión simple de la roca sana.
α1, α2, α3 = Parámetros adimensionales que dependen del tipo de roca, de su grado de alteración y del espaciamiento de las litoclasas, según se indica a continuación.

1. Influencia del tipo de roca.
A igualdad de grado de alteración y de espaciamiento del diaclasado, existen rocas cuya estructura es más proclive a contener planos de debilidad no detectados en los sondeos ni en los ensayos de compresión simple, que a veces se realizan con muestras de pequeño tamaño.

Atendiendo a este aspecto, las rocas pueden clasificarse en varios grupos, partiendo de un primer grupo en el que no se temen fisuras o grietas no detectables por los reconocimientos y terminando en un cuarto grupo en el que el tipo de formación rocosa es proclive a contener otros planos de debilidad aparte de los detectables con los trabajos de censo de litoclasas o con los ensayos de compresión simple realizados en laboratorio a pequeña escala.

El parámetro α1 puede determinarse en laboratorio ensayando muestras a tracción (o tracción indirecta) para medir la relación que existe entre la resistencia a tracción simple qt y la resistencia a compresión simple qu. El valor del parámetro α1 será:

A falta de información específica respecto a este parámetro se puede utilizar el valor que se obtenga de la tabla 4.3.
TABLA 4.3. VALORES DE α1 SEGÚN EL TIPO DE ROCA

En todo caso se recomienda que cuando aparezcan varios tipos de roca en un mismo apoyo, o existan dudas en esta clasificación y salvo información específica en otro sentido, se tome como valor de cálculo α1 = 0,4.

2. Influencia del grado de meteorización
El grado de meteorización de la roca debe medirse de acuerdo con la escala que se indica en
la tabla 3.3.

Para caracterizar el grado de meteorización correspondiente a la roca que existe en el entornode la cimentación, se usará el mayor grado de alteración que pudiera existir hasta alcanzar una profundidad igual a 1,5 B*, medida bajo el plano de apoyo.

• Grado de meteorización I (Roca sana o fresca): α2 = 1,0
• Grado de meteorización II (Roca ligeramente meteorizada): α2 = 0,7
• Grado de meteorización III (Roca moderadamente meteorizada): α2 = 0,5
• Cuando el grado de meteorización sea igual o superior al IV, deberá estarse a lo especificado anteriormente (cálculo como en suelos).

3. Influencia del espaciamiento entre litoclasas
La separación entre litoclasas debe caracterizarse de dos formas diferentes:

• Mediante censo de litoclasas en afloramientos próximos a la zona de cimentación.
• Midiendo el valor del RQD en los sondeos mecánicos.

En todo caso, la zona de referencia será el volumen de roca situado bajo la cimentación hasta una profundidad igual a 1,5 B*.

Partiendo de estos datos, se calculará α3 como el mínimo de entre los dos valores siguientes:


Donde:
s = Espaciamiento entre las litoclasas expresado en m. Se utilizará el correspondiente a la familia de diaclasas que conduzca a un valor menor.

1m = Valor que se utiliza para hacer adimensional la expresión correspondiente.

RQD = Valor del parámetro «Rock Quality Designation», expresado en tanto por ciento.

4. Determinación de la resistencia a compresión simple de la roca sana
Para determinar el valor de qu, a utilizar en el contexto de estos cálculos, se utilizarán probetas de roca sana y se ensayarán según UNE 22950-1, una vez eliminadas las zonas de posible alteración.

Se procurará además que las probetas no tengan grietas o fisuras apreciables a simple vista.

Alternativamente se podrán utilizar otros ensayos, para obtener el valor de la resistencia a compresión, mediante correlaciones debidamente contrastadas.

Realizada una serie de ensayos, se debe elegir, como valor de cálculo de la resistencia, aquel que represente de forma razonablemente conservadora el valor medio estimado para la zona de afección. Habitualmente puede pensarse en aquel valor de la resistencia que represente la media indicada con una confianza razonablemente alta, por ejemplo un 95%.

5. Limitaciones del procedimiento
Una cimentación sobre roca queda comprobada frente a los modos de fallo de hundimiento, deslizamiento, vuelco y movimientos excesivos cuando la presión de servicio de la misma, calculada según se indica en 4.3.7 no sobrepase el valor de la presión admisible calculada como se refiere en 3 (con las especificaciones introducidas por los subapartados 1 a 4). Es decir, cuando:

El procedimiento de referencia está sometido, no obstante, a las siguientes limitaciones:

• La cimentación queda establecida en un terreno cuya pendiente no supera el 10%.
• La inclinación de las acciones no supera el 10%, (tg δ < 0,10). Si la inclinación de las acciones es mayor, la presión admisible debe reducirse multiplicando por el factor
i = (1,1 – tg δ)^3 y, además, realizar cálculos de comprobación de la estabilidad al deslizamiento y al vuelco, cuya seguridad no quedaría garantizada con las comprobaciones precedentes.

• No existe un flujo de agua con gradiente importante (I ≤ 0,2) en ninguna dirección.
• El área de apoyo es menor que 100 m2. En caso de ser mayor será necesario realizar cálculos específicos del movimiento de la cimentación según se indica en el apartado 4.8.
• En cualquier caso, la presión de servicio de una cimentación superficial en roca no superará el valor de 5 MPa, salvo justificación expresa realizada por algún procedimiento alternativo.

En caso de incumplimiento de alguno o varios de los requisitos inmediatamente referidos, deberán realizarse cálculos específicos para comprobar la seguridad de la cimentación. La descripción de tales cálculos se encuentra fuera del alcance de esta Guía.

CIMENTACIONES COMPROBACIÓN DEL HUNDIMIENTO SEGÚN LA EXPERIENCIA LOCAL

En esta Guía se admite que las cimentaciones de las estructuras más típicas de las obras de carretera (las pilas de los puentes y sus estribos, los muros de contención, los pasos inferiores y los terraplenes) puedan comprobarse basándose únicamente en la experiencia local.

Para que este procedimiento de comprobación sea aplicable, es preciso recopilar la experiencia correspondiente y demostrar de manera fehaciente que tal experiencia es similar al caso en cuestión.

La recopilación de la experiencia previa incluirá la descripción de los terrenos correspondientes. En dicha descripción constarán explícitamente los datos de identificación y estado del terreno (es imprescindible que conste su densidad seca —o peso específico seco, γd—, y su humedad natural, w) así como los datos de resistencia, deformabilidad y permeabilidad que sean conocidos.

También deberá constar la configuración geométrica del terreno describiendo la distribución espacial de los distintos materiales y la ubicación del nivel freático.

Para el caso de cimentaciones superficiales de pilas o muros, la experiencia existente debe re- sumirse en una serie de datos de presiones de servicio que se hayan utilizado para distintos anchos de cimentación sin que hayan existido problemas posteriores de comportamiento. En este sentido, debe entenderse como presión de servicio la que se define en el epígrafe 7.

Para poder comparar el caso en cuestión con la experiencia previa es imprescindible conocer todos los datos que se consignan en el apartado 4.3, a excepción de los definidos en el epígrafe 2. Las características geotécnicas del terreno que se necesita conocer son únicamente las necesarias para asegurar que el terreno en cuestión es equiparable al que se describe en las experiencias previas. En todo caso, los datos de identificación y estado (densidad seca y humedad natural) y la ubicación del nivel freático del caso en cuestión no podrán omitirse.

La aplicación de este método queda limitada a aquellas cimentaciones que transmiten cargas con ángulos de inclinación, δ, moderados (tgδ ≤ 0,2).

Una cimentación superficial puede considerarse comprobada en función de la experiencia previa cuando, mediante el proceso descrito en los párrafos precedentes, la presión de servicio no supera a los valores utilizados previamente con éxito en cimentaciones de dimensiones similares a las del caso en estudio.

CIMENTACIONES - SEGURIDAD FRENTE AL HUNDIMIENTO.

El mecanismo de hundimiento que se considera en este apartado corresponde a los cimientos de las estructuras. Se trata de roturas del terreno bajo la cimentación que no implican la rotura del propio elemento de cimentación. Este tipo de análisis no es aplicable al estudio de terraplenes, en los que hay que analizar la estabilidad global y constatar que el coeficiente de seguridad responde a las exigencias descritas anteriormente.

En este apartado se incluyen varios procedimientos de comprobación para cada tipo de terreno sobre el que se apoya la cimentación.

En suelos granulares, entendiendo por tales aquéllos que contienen menos de un 15% de finos y cuyo contenido en gruesos de más de 10 cm es escaso (menos del 10%), se recomienda la comprobación de la seguridad frente al hundimiento según el método del SPT (ideado inicialmente para arenas) que se describe en el epígrafe 2.

En rocas, se recomienda el procedimiento indicado en el 3.

En suelos cohesivos, entendiendo por tales aquellos que tienen más del 15% de finos, es re- comendable la comprobación de la seguridad frente al hundimiento mediante los cálculos analíticos que se describen en el epígrafe 5.

Debe mencionarse que siempre es posible, independientemente del tipo de terreno, evaluar la seguridad frente al hundimiento basándose en otros ensayos de campo (presiómetros, penetrómetros y ensayos de carga) según se indica en el 4.

También es posible, en todo caso, utilizar la formulación analítica descrita en 5, siempre que se disponga de los parámetros resistentes del modelo de Mohr-Coulomb (c, φ), en el que se basa la misma, aunque se hayan obtenido mediante correlación, debidamente contrastada, con resultados de ensayos de campo.

Existen otros procedimientos (además de los ya indicados), en la literatura técnica, que el ingeniero puede usar siempre que el nivel de seguridad obtenido sea el que se indica en esta Guía.

Se considera asimismo admisible el uso directo de experiencia local debidamente contrastada, como justificación única de la seguridad frente al hundimiento, tal como se describe en el epí- grafe 1.

En los apartados que siguen se usa unas veces el concepto de presión o carga admisible y otras el de presión o carga de hundimiento. La presión o carga de hundimiento dividida por el factor de seguridad correspondiente es la presión o carga admisible.

Las cimentaciones deben satisfacer además unas limitaciones de asientos, que en ocasiones pueden limitar las tensiones transmitidas al terreno.

1. COMPROBACIÓN DEL HUNDIMIENTO SEGÚN LA EXPERIENCIA LOCAL

2. PRESIÓN ADMISIBLE EN ARENAS

3. CIMENTACIONES SUPERFICIALES SOBRE ROCA

4. CARGA DE HUNDIMIENTO EN FUNCIÓN DE OTROS ENSAYOS DE CAMPO

5. CÁLCULO ANALÍTICO DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO

ESTABILIDAD GLOBAL DE LAS CIMENTACIONES.

Uno de los aspectos más importantes del estudio de una cimentación es el relativo a su estabilidad global. Este estudio sólo puede omitirse cuando se trate de cimentaciones de obras de fábrica en terrenos llanos y firmes.

A estos efectos, se entienden por «llanos» aquellos cuya pendiente medida en el entorno de la cimentación (entorno con amplitud del orden de 5 veces el ancho B, del cimiento) no supera el 10%, y por «firmes» aquellos que no presentan ningún signo de inestabilidad previa, ni evidencien que lo puedan presentar en el futuro. Véase figura 4.4.

EJEMPLOS DE SITUACIONES DE ESTABILIDAD GLOBAL A ESTUDIAR
FIGURA 4.4. EJEMPLOS DE SITUACIONES DE ESTABILIDAD GLOBAL A ESTUDIAR


Todas las cimentaciones de obras de fábrica que hayan de establecerse sobre terrenos inclinados (o en pendiente) así como todas las cimentaciones de los terraplenes, ya sea en terrenos in- clinados o llanos, deben analizarse frente al problema de estabilidad global. En la figura 4.4 se in- dican, a título de ejemplo, algunos esquemas de este modo de fallo.

El análisis de estabilidad global se hará empleando los métodos de cálculo de equilibrio límite (métodos de cálculo de estabilidad de taludes tales como los de Janbu, Bishop, Morgenstern y Price, etc.). La descripción de estos métodos queda fuera del alcance de esta Guía.

Los coeficientes de seguridad exigibles deben fijarse en cada caso concreto, en función de las características del terreno y de la obra en cuestión. Mas adelante de esta Guía se formulan reco- mendaciones concretas para algunos casos frecuentes.

En términos generales, y a falta de otra información específica, se recomiendan los coeficientes de seguridad mínimos que se refieren en la tabla 4.1.

TABLA 4.1. ESTABILIDAD GLOBAL: COEFICIENTES DE SEGURIDAD MÍNIMOS
(*) Como valor del coeficiente de seguridad para la combinación de acciones casi permanente, en situaciones transitorias y de corto plazo, podrá adoptarse el coeficiente de seguridad F2, o F2,red, según sea el caso.

En general se recomienda la aplicación de los coeficientes de seguridad indicados como normales en la tabla 4.1.

Si la importancia de la obra, o la trascendencia económica y social de la misma así lo aconsejasen, el Proyectista o el Director de las Obras podrán adoptar coeficientes de seguridad mínimos superiores a los indicados como normales.

Los coeficientes reducidos serán de aplicación únicamente en construcciones provisionales o auxiliares, cuando no exista riesgo físico para las personas, y cuando la importancia económica del fallo sea escasa.

Salvo justificación expresa en otro sentido, se estima que los coeficientes de seguridad listados en la tabla 4.1 —muy especialmente los correspondientes a situaciones accidentales—, deben ser de aplicación únicamente a las obras, no a las laderas en general o a zonas mucho más amplias, fuera de la zona de influencia real de las referidas obras.

CIMENTACIONES DEFINICIÓN DE LAS SITUACIONES DE PROYECTO

La situación de proyecto está definida por el terreno y sus parámetros geotécnicos, la geometría de la cimentación y las acciones.

Para el análisis de la seguridad de una cimentación deben estudiarse las situaciones de proyecto de manera que definan la obra durante su construcción y a lo largo de su vida útil.

1. CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA
A efectos de analizar la seguridad de una cimentación superficial frente a los modos de fallo que más adelante se consideran, las cimentaciones superficiales deben representarse mediante formas geométricas suficientemente simples de manera que puedan ser susceptibles de análisis según el método de cálculo que se vaya a utilizar.

Para comprobar la seguridad frente a los estados límite últimos, conviene definir la geometría de las cimentaciones mediante sus dos dimensiones principales en planta: anchura y longitud.

En lo que sigue, para el estudio de las cimentaciones superficiales se adoptará la siguiente terminología:

B =Anchura (dimensión menor en planta).
L = Longitud (dimensión mayor en planta).
D = Profundidad de cimentación (cota roja del plano de apoyo).

Existen fórmulas de cálculo que sólo son aplicables a cimentaciones con forma rectangular.

Cuando la cimentación en estudio tenga una forma en planta no rectangular, habrá que determinar la cimentación rectangular equivalente. Para ello, una vez definidas las acciones, deben seguirse las recomendaciones que se indican en el epígrafe 5. El conocimiento previo de las acciones es asi- mismo necesario, pues dicha equivalencia depende del punto de aplicación de las cargas que actúan sobre la cimentación.

Para hacer los cálculos que en adelante se indican, es necesario definir la profundidad de cimentación, D, que será igual al espesor de tierras, medido en vertical, que existe entre el plano de apoyo del cimiento y la superficie del terreno en el contorno de la zapata. Normalmente dicha profundidad será variable a lo largo del contorno del elemento de cimentación, y podrá variar también con el paso del tiempo (excavaciones, erosiones, etc.). A los efectos de su consideración en el cálculo, conviene elegir el valor menor de D que sea compatible con las circunstancias específicas de la situación de proyecto considerada.

La definición del terreno de apoyo de la cimentación resulta esencial. Deberán describirse los límites que separan los distintos terrenos. Para ello, se utilizarán contornos simplificados que traten de ajustarse, por el lado de la seguridad, a la situación real.

Es fundamental la consideración de los efectos de posibles socavaciones y erosiones en la geometría del problema en estudio. Siempre debe pensarse, aunque sea en el contexto de una situación accidental, si el terreno que rodea la cimentación puede ser arrastrado. La definición precisa de la situación del nivel freático que corresponde a cada situación de pro- yecto resulta imprescindible en el análisis de este tipo de cimentaciones.

La configuración geométrica del terreno en el entorno de la cimentación y la situación del nivel freático pueden ser diferentes a lo largo de la vida de la obra y por ello, puede ser necesario el análisis de situaciones persistentes, transitorias y accidentales.

2. CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS
Los datos más importantes, los que más afectan al proceso de comprobación de la seguridad y, a su vez, los que resultan más difíciles de precisar, son los relativos a la resistencia, deformabilidad y permeabilidad del terreno.

Las características del terreno habrán de determinarse para cada uno de los niveles, estratos o litologías que se hayan identificado previamente en la configuración geométrica.

2.1. Resistencia
Las formas de caracterizar la resistencia del terreno son muy variadas y, como consecuencia, existen diversos procedimientos de comprobación adecuados a cada una de las formas de caracterización de la resistencia del terreno.

Las formas que se recomiendan en esta Guía son las siguientes:

• Como norma general, siempre que sea posible se realizará una determinación directa de la resistencia mediante ensayos de laboratorio (triaxial o corte directo) que permitan definir los parámetros del modelo de Mohr-Coulomb correspondiente al esqueleto del sue- lo (cohesión y ángulo de rozamiento).
• En suelos arenosos limpios, que no tengan cohesión, será muy difícil tomar muestras inalteradas y la determinación anterior puede resultar complicada. A pesar de ello deberá realizarse un estudio específico que permita obtener el ángulo de rozamiento correspondiente mediante ensayos de campo de otro tipo (SPT, piezocono, etc.) y ensayos de laboratorio con muestras recompactadas, debidamente interpretados.
También es posible la compro- bación directa de la seguridad mediante los procedimientos que se indican en 4.5.1 y 4.5.2.
• En formaciones rocosas, puede utilizarse el procedimiento de comprobación que se indica en el epígrafe 4.5.3.
• En suelos cohesivos es posible, como alternativa al método general (cálculo analítico de la carga de hundimiento), representar la resistencia del terreno mediante parámetros relacionados con ella como son los siguientes:
• — Resistencia por punta en ensayos de penetración estática.
• — Presión límite en ensayos presiométricos.

Para realizar las comprobaciones pertinentes a los problemas de estabilidad global, será necesario estimar, directa o indirectamente, parámetros de resistencia explícitos. Normalmente serán los datos de cohesión y ángulo de rozamiento del modelo de Mohr-Coulomb. Para realizar las comprobaciones de seguridad que corresponden a las situaciones de «corto plazo» que se definen en 4.1, será necesario definir la resistencia al corte sin drenaje. Este dato puede obtenerse directamente mediante ensayos de laboratorio (ensayos triaxiales UU, preferentemente) o mediante ensayos de campo (ensayos de molinete) o bien indirectamente mediante otros ensayos de campo (penetrómetros estáticos, presiómetros, etc.).

2.2. Deformabilidad
Normalmente no será necesario utilizar parámetros representativos de la deformabilidad del terreno para comprobar la seguridad de las cimentaciones superficiales frente a los estados límite últimos.

Para comprobar la seguridad frente a estados límite de servicio será necesario calcular los movimientos de la cimentación (generalmente asientos), lo cual requiere definir los parámetros de deformabilidad del suelo.

Dependiendo del tipo de terreno y del tipo de cálculo, se pueden requerir algunos de los parámetros siguientes:
• Para el cálculo con modelos elásticos lineales, el módulo de elasticidad y el módulo de Poisson (E, ν) del esqueleto del suelo.
• Para el cálculo con el modelo edométrico, el índice de poros inicial eo, el índice de com-
presión Cc, el índice de entumecimiento (o hinchamiento) Cs, y la presión de preconsolidación pc.
• Para el cálculo basado en ensayos de campo habrá de recurrirse a los parámetros obtenidos de los mismos, según el caso de que se trate.

En casos de especial importancia puede ser conveniente utilizar modelos de comportamiento más complejos cuya descripción no constituye el objeto de esta Guía.

La permeabilidad de los distintos terrenos afectados por las cimentaciones superficiales puede tener importancia por varios motivos. Entre otros, porque puede condicionar la distribución de presiones intersticiales que intervendrán en los cálculos de comprobación de la seguridad.

Por otro lado, en los suelos impermeables se pueden generar, como consecuencia de las cargas aplicadas, excesos transitorios de presión intersticial que habrán de considerarse según se especifica en 4.1.

La determinación de la permeabilidad del terreno puede hacerse mediante los ensayos de campo y laboratorio indicados en la Parte 3 de esta Guía.

2.4. Otros parámetros
En general, para los cálculos de comprobación de las cimentaciones superficiales, será preciso conocer los pesos específicos de cada uno de los diferentes terrenos que se hayan identificado, en cada una de las posibles situaciones (aparente, seco, saturado y sumergido).

También pueden ser necesarios otros datos que se especificarán en su caso en los procedimientos de cálculo correspondientes.
3. ACCIONES
Para realizar las comprobaciones que más adelante se indican, han de considerarse las acciones que puedan actuar sobre la cimentación. La forma de evaluar cada acción depende del tipo de comprobación a realizar y de la metodología que se vaya a seguir.

Para aplicar la metodología de los coeficientes de seguridad globales que se describe en el cuerpo de esta Guía, se valoran las acciones según se indico anteriorment. Para aplicar la metodología de los coeficientes de seguridad parciales (cuando ésta sea adecuada), se seguirán las recomendaciones que se indican en el Apéndice 1.

En las cimentaciones superficiales que se establezcan en la zona de inundación de cursos fluviales, se considerará el empuje de agua como acción accidental en avenidas extraordinarias (período de retorno de 500 años) y como acción variable en avenidas cuyo período de retorno sea de 50 años (aproximadamente). También se considerará como acción permanente el empuje ocasionado por caudales cuyo período de retorno sea de 5 años (aproximadamente).

En cualquier caso, las zapatas de cimentación en cursos fluviales habrán de quedar suficientemente enterradas como para no ser expuestas al flujo del agua. Los empujes a los que se hace referencia en el párrafo anterior son los que actúan sobre las pilas. En todo caso, deben adoptarse las medidas constructivas adecuadas, de manera que los cimientos afecten lo menos posible al movimiento del agua y sus arrastres.

4. CLASIFICACIÓN DE LAS SITUACIONES DE PROYECTO
Las situaciones de proyecto quedan definidas una vez se establece la configuración geométrica de la cimentación, las acciones que pueden actuar sobre ella durante el período de tiempo establecido para dicha situación y las características geotécnicas del terreno de cimentación.

En términos generales y desde el punto de vista temporal, deberán estudiarse situaciones de proyecto que cubran las posibles circunstancias que puedan existir tanto durante la construcción como durante la vida útil de las cimentaciones.

Las situaciones de proyecto habrán de agruparse en alguno de los tres tipos siguientes:

a) Persistentes.
b) Transitorias y de corto plazo.
c) Accidentales.

4.1. Situaciones de «corto plazo»
El comportamiento del terreno obliga, en ciertas circunstancias, a establecer unas situaciones de proyecto específicas denominadas de «corto plazo».

Las situaciones de «corto plazo» se dan cuando el terreno de cimentación está saturado y cuando, además, su permeabilidad es suficientemente baja. En esas condiciones las cargas aplicadas al cimiento pueden provocar incrementos de presión del agua intersticial, u, que existe en el terreno.

A medida que pasa el tiempo, este exceso de presión intersticial se disipa, al tiempo que el terreno se comprime y se expulsa la parte de agua correspondiente (proceso de consolidación).

El ingeniero ha de juzgar si, en el cimiento en estudio, pueden darse estas circunstancias. Para ello puede ser necesario realizar ciertos cálculos específicos para evaluar los tiempos de consolidación. En términos generales y salvo justificación expresa en contra, se supondrá que la situación de corto plazo es posible siempre que el coeficiente de permeabilidad del terreno saturado sea inferior a k =10–4 cm/s.

Se denomina «situación teórica de corto plazo» a aquella en la que, después de concluir la aplicación de la carga, el terreno no ha disipado prácticamente nada de la presión intersticial que generó la aplicación de las cargas. La resistencia al corte del terreno es la misma que antes de aplicar las cargas. La posible mejora de la resistencia que se producirá a medida que avance el proceso de consolidación, no se habría producido aún.

La forma más habitual de cálculo de las situaciones teóricas de corto plazo consiste en suponer que el conjunto del terreno y el agua de saturación, se comporta como un material puramente cohesivo (Øcálculo = 0) y con una cohesión igual a la resistencia al corte sin drenaje (ccálculo = su). Esta última se evaluará para el momento correspondiente al inicio del proceso de carga.

Para el análisis de las situaciones de corto plazo resulta también admisible calcular las presiones intersticiales del agua y utilizar los parámetros de resistencia al corte efectivos del esqueleto del suelo, si bien este segundo procedimiento es, en la mayoría de los casos, más complicado. La introducción del concepto teórico de «corto plazo» es sólo una simplificación conveniente para resolver algunos problemas específicos.

5. CIMENTACIÓN RECTANGULAR EQUIVALENTE

  
6. PRESIONES VERTICALES
El cálculo de la presión vertical media y de la inclinación de la resultante será necesario para comprobar la seguridad frente a hundimiento, deslizamiento y vuelco según los procedimientos que más adelante se indicarán.

Para cada una de las distintas combinaciones de acciones y después de obtener las dimensiones de la cimentación rectangular equivalente, se calculará la presión vertical media que se define mediante la expresión siguiente:

Se entiende por componente vertical de la resultante efectiva de las acciones, V, la componente vertical total disminuida en la posible subpresión que pudiera existir en el plano de contacto cimiento-terreno. A estos efectos, si la aplicación de la carga hubiera provocado algún incremento de presión intersticial en el contacto, dicho incremento no se contabilizará como subpresión.

En el valor de V se incluirán no sólo las acciones de la estructura, sino también el peso propio del elemento de cimentación y además el de las tierras que pudieran gravitar sobre ella.

En las componentes horizontales, H, de las acciones se incluirán también los empujes de tierras y/o del agua que pudieran actuar en las caras laterales de las zapatas que no quedasen com- pensados por empujes homólogos actuando en las caras opuestas. Los casos particulares en los que estos empujes resultan críticos en la evaluación de la seguridad de las cimentaciones se identifican en la Parte 6 de esta Guía.

También habrán de determinarse, para cada situación de proyecto y combinación de acciones, el ángulo δ, que mide la desviación de la carga respecto a la vertical, así como sus componentes según dos direcciones ortogonales:


Normalmente, el plano de cimentación será horizontal, así se ha supuesto hasta este momento. Si ese plano tuviese una ligera inclinación, los conceptos vertical y horizontal pueden cambiarse por normal y tangencial al plano de cimentación y seguir aplicando las reglas que se indican en adelante. Inclinaciones superiores al 3H:1V requieren técnicas de análisis específicas fuera del alcance de esta Guía.

Con este cálculo resultará una colección de valores de las dimensiones equivalentes de la cimentación, de la presión vertical media y de las inclinaciones de la acción (B*, L*, pv, δ, δB, δL) re- presentando cada una de las situaciones consideradas. En general, todas ellas habrán de utilizarse para evaluar la seguridad de la cimentación frente a cada uno de los modos de fallo.

La presión de servicio es un valor representativo de las presiones verticales que se producen en las diferentes situaciones de proyecto y que previamente habrán sido determinadas siguiendo los criterios establecidos en el epígrafe precedente.

Una vez calculadas las presiones verticales medias que corresponden a cada combinación de acciones, se elegirá como valor representativo o «presión de servicio», que se denominará psv, el mayor de los tres siguientes:

a) El correspondiente a la situación persistente con la combinación de acciones casi permanente.
b) El resultado de dividir por 1,10 el mayor de los siguientes valores:

• El mayor valor de entre los correspondientes a las combinaciones de acciones características (en situaciones persistentes o transitorias y de corto plazo).
• El mayor valor de entre las situaciones transitorias y de corto plazo con la combinación de acciones casi permanente.

c) El mayor de los correspondientes a las situaciones accidentales, dividido por 1,25.

Este valor representativo de la presión vertical media de la cimentación se entenderá, en lo que sigue, como sinónimo de «presión de servicio».

Los valores representativos de las dimensiones equivalentes de la cimentación (B*, L*) serán aquellos asociados a la situación a), b) o c) recién expuestas que resulten condicionantes para la de- terminación de la presión de servicio.

El valor representativo de la inclinación de la carga δ será, del mismo modo, aquel asociado a la situación que condicione el valor representativo de pv.

El cálculo previo de la presión de servicio psv, no es necesario para comprobar (según los pro- cedimientos que se describen en esta Guía) estados límite diferentes del de hundimiento. Tampo- co es necesario cuando se compruebe el estado límite último de hundimiento de acuerdo con el mé- todo analítico descrito en el epígrafe 4.5.5, válido tanto para situaciones a corto como a largo plazo, tal y como se especifica en el mismo. Tampoco es necesario el cálculo de psv para aplicar los pro- cedimientos descritos en 4.5.4.

CIMENTACIONES SUPERFICIALES - COMPROBACIONES A REALIZAR.

El procedimiento de comprobación que se propone en esta Guía está basado en el método de los estados límite. Los estados límite, últimos y de servicio, que en todo caso han de considerarse son los que se indican en el presente apartado.

1. ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS
Las cimentaciones superficiales de las obras de carretera pueden fallar de manera que, tras el fallo, se alcance una situación de ruina cuya reparación exija prácticamente la reconstrucción del cimiento. Deberá atenderse en todo caso a lo especificado en el epígrafe 2.2.1 de esta Guía.

Las formas, modos o mecanismos de fallo que conducen a un estado límite último pueden ser muy diversas. En este apartado se incluye la definición de algunos modos de fallo que en todo caso deben examinarse para comprobar la seguridad de una cimentación superficial.  

1.1. Estabilidad global
El conjunto de la estructura y su cimiento puede fallar globalmente sin que se produzcan antes otros fallos locales. Se formaría una superficie continua (superficie de deslizamiento) que en- globara toda la cimentación y en la que los esfuerzos de corte alcanzaran el valor de la resistencia al corte del terreno.

Este tipo de rotura es típico en estructuras de contención de tierras y cimentaciones próximas a la coronación de taludes de desmonte o relleno o en medias laderas, particularmente si su estabilidad natural es precaria.

1.2. Hundimiento
El modo de fallo denominado «hundimiento» se produce cuando la capacidad de soporte del terreno es inferior a la carga que transmite la cimentación al terreno. En tales circunstancias, tanto el elemento de cimentación (zapata o losa) como el terreno situado inmediatamente debajo experimentan movimientos inadmisibles que arruinan la construcción que estaban soportando.

Este modo de fallo puede idealizarse mediante superficies de rotura que parten del plano de apoyo, profundizan en el terreno y se incurvan hasta volver a emerger a cierta distancia de la cimentación, tal como se describe más adelante.

1.3. Deslizamiento
Este mecanismo o modo de fallo ocurre cuando las tensiones de corte en el plano de contacto terreno-zapata (o en general, terreno-base del elemento de cimentación) igualan o superan la resistencia al corte de dicho contacto. Se produce entonces un desplazamiento inadmisible de la cimentación respecto al terreno de apoyo.

1.4. Vuelco
Las cimentaciones superficiales sometidas a cargas excéntricas respecto al centro de gravedad de su área de apoyo pueden alcanzar un estado límite último cuando el punto de paso de la resultante de las acciones se aproxima al borde de la cimentación. Este modo de fallo consiste en el giro excesivo del elemento de la cimentación y, por ende, de la estructura a la que sustenta.

1.5. Rotura del elemento estructural de cimentación
Las zapatas (o losas) de cimentación están sometidas a unos esfuerzos que podrían llegar a superar su capacidad resistente. En este caso se experimentarían movimientos importantes de la estructura a la que sirven de apoyo, provocando su ruina.

4.2.2. ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO (O UTILIZACIÓN)
A diferencia de los estados límite últimos, los estados límite de servicio (o de utilización) son aquellos cuya ocurrencia implica consecuencias menos graves, puesto que no conducen a la ruina estructural del elemento, pero sí que limitan su capacidad funcional, estética, etc. —. Sus efectos pueden paliarse con reparaciones menores y generalmente implican un plazo no muy largo de permanencia fuera de servicio de la cimentación en cuestión.

Los estados límite de servicio pueden producirse por movimientos importantes de la cimentación, por roturas localizadas, por vibraciones excesivas y por otras causas.

No resulta totalmente clara la separación entre los estados límite de servicio y los últimos, pues una deformación excesiva de la cimentación puede provocar no sólo un límite de uso (estado límite de servicio) sino también un estado límite último en la estructura por agotamiento de su ca- pacidad estructural.

En general, los estados límite de servicio que han de considerarse siempre son los provocados por roturas localizadas y por los asientos y otros movimientos de la cimentación cuyos valores de servicio o utilización deben haber sido fijados previamente en las premisas de proyecto.

Guia Cimentaciones Superficiales - Interacción Suelo-Estructura.

Dentro del ámbito de aplicación de esta Guía se entiende como cimentación superficial aquella que transmite las cargas de la estructura a las capas más superficiales del terreno. Cuando la profundidad de cimentación es claramente mayor que el ancho (o dimensión menor en planta) del elemento de cimentación (zapata), la cimentación debe considerarse semiprofunda o profunda.

Las recomendaciones que se formulan en esta parte son aplicables a aquellos cimientos que
se apoyan a profundidades del orden de hasta dos veces el ancho de la cimentación (D ≤ 2B). Para
profundidades mayores, también podrán utilizarse dichas recomendaciones, si bien el resultado de
su aplicación puede resultar excesivamente conservador.

Las cimentaciones semiprofundas, también denominadas cimentaciones en pozo, deben estudiarse mediante procedimientos específicos. Las cimentaciones profundas se consideran mas adelante de esta Guía.

El elemento estructural de apoyo o transmisión de cargas de una cimentación superficial se denomina «zapata» y generalmente su planta es de forma rectangular. El resto de características que puede tener este elemento son variadas. Véase figura 4.1.

PRINCIPALES TIPOS DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL
FIGURA 4.1. PRINCIPALES TIPOS DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL



• La cimentación superficial de las pilas de los puentes suele hacerse mediante zapatas aisladas, una por cada apoyo de la estructura.
• En ocasiones, cuando existen apoyos próximos o cuando la carga unitaria que se quiere transmitir al terreno es pequeña, pueden construirse zapatas combinadas, donde apoyan dos o más pilares.
• Las cimentaciones de los estribos de los puentes y de los muros de contención suelen ser de forma alargada, de longitud claramente mayor que la anchura y reciben el nombre de zapatas corridas.
• Los marcos y estructuras de paso bajo carreteras pueden cimentarse mediante zapatas corridas cuando el terreno es de buenas características, o mediante losas (uniendo ambas zapatas corridas). Se entiende por losa de cimentación aquel elemento de transmisión de cargas al terreno con ambas dimensiones en planta claramente mayores (varias veces) que su canto.

En función de la deformabilidad del elemento de cimentación respecto a la del terreno de apoyo, los elementos de cimentación pueden considerarse flexibles o rígidos, según tenga o no importancia el efecto de interacción suelo-estructura.

En términos generales, y a efectos de la consideración del fenómeno anterior, de interacción suelo-estructura, pueden considerarse rígidas aquellas zapatas que cumplen:

Donde:
h = Canto de la zapata en su encuentro con la cara del pilar.
v = Vuelo, o distancia horizontal entre la cara del pilar y la cara vertical más próxima de contorno de la zapata.
α = Coeficiente adimensional que puede estimarse mediante la relación siguiente:

Donde:
E = Módulo de elasticidad del terreno de cimentación.
Eh = Módulo de elasticidad del material que forma la zapata.
Las losas y las vigas continuas de cimentación pueden considerarse rígidas cuando se cumple la condición siguiente:

Donde:
h = Canto de la losa.
l = Luz libre entre apoyos.
β = Coeficiente adimensional dado por la expresión siguiente:
Donde:
Kb = Módulo de balasto.
Eh = Módulo de elasticidad del material que forma la zapata.

En la práctica habitual, el canto de las zapatas de cimentación se suele disponer de manera que
estos elementos resulten rígidos, mientras que los cantos de las losas de cimentación suelen ser ta-
les que normalmente resultan flexibles.

Los comportamientos rígidos y flexibles no están nítidamente separados. Las expresiones precedentes se han deducido suponiendo que dicha frontera queda establecida por la condición de una deflexión (o flecha diferencial) de la estructura de cimentación, que es aproximadamente igual a la décima parte del asiento máximo. Según la experiencia acumulada hasta la fecha, esa rigidez frontera es suficientemente aproximada para discernir cuándo es necesario realizar los cálculos de esfuerzos en la cimentación con o sin consideración del efecto de interacción.

El efecto de interacción suelo-estructura no tiene efectos apreciables en el análisis de los estados límite últimos según los procedimientos de cálculo que se recogen en esta Guía, pero puede afectar en el cálculo de asientos y otros movimientos de las cimentaciones. El efecto es claramente notable en el cálculo de esfuerzos en los elementos de cimentación.

En el caso de los terraplenes, cuya cimentación es también objeto de esta Guía, se entiende como cimentación superficial aquella en la que el tratamiento del área de apoyo consiste en excavaciones sencillas (no profundas) y se completa habitualmente con obras de drenaje superficial y/o profundo. Se excluirán de este tipo de cimentación superficial aquellos casos en los que, por falta de capacidad de soporte del terreno de apoyo, se recurra al uso de elementos de transmisión de carga a zonas más profundas (columnas de grava, pilotes de madera, etc.). En las Partes 6, 7 y 8 de esta Guía pueden encontrarse recomendaciones específicas aplicables a las cimentaciones de los terraplenes.

Ejemplo de Tubería Enterrada.

Con frecuencia se debe enterrar una tubería bajo un terraplén elevado de ferrocarril o carretera. Debido al rápido crecimiento de la industria de tuberías y a la construcción de importantes carreteras, ha aumentado grandemente el número de instalaciones, de tuberías enterradas. Estas tuberías suelen ser de una chapa delgada de metal o plástico, denominadas tuberías flexibles o de una pared gruesa de concreto armado, denominadas tuberías rígidas.

Existen muy pocos casos en los que las tuberías enterradas se hayan roto por aplastamiento bajo las cargas exteriores aplicadas. La mayor parte de las roturas producidas han estado asociadas con: a) ejecución defectuosa:
b) cargas de construcción superiores a las del proyecto y
c) flexión de la tubería por asentamientos de la cimentación o hundimiento. Ante los excelentes datos de comportamiento de muchos miles de tuberías enterradas, la conclusión obligada es que los métodos de proyecto y construcción que se utilizan habhualmente producen instalaciones con un amplio margen de seguridad. Sin embargo, se ha publicado escasa información referente a la seguridad real de estas instalaciones y a su grado de sobredimensionamiento, lo que ha podido ocasionar un gran despilfarro de dinero.

La Fig. 1.16 muestra la instalación de dos tuberías de acero, de 760 mm de diámetro cada una, con un espesor de pared de 9.5 mm, enterradas bajo un terraplén de 24 m de altura en su eje. Con el método analítico que se emplea usualmente, se obtuvo un valor de 19 cm para la máxima flecha o deflexión del tubo. La práctica habitual indica un valor del 5 % del diámetro del tubo, es decir, 38 mm para un diámetro de 760 mm, como máxima de- flexión admisible.

En esta fase de la obra, se realizaron pruebas en laboratorio e in situ sobre las tuberías instaladas. Empleando los datos sobre características del suelo obtenidas en estas pruebas, se llegó al cálculo de una deflexión de la tubería de 8 mm, valor perfectamente seguro. El valor máximo de la deflexión de la tubería medido realmente fue de sólo 43 mm. Estas deflexiones indican la ventaja de una instalación controlada (así como la inexactitud de los métodos habitualmente empleados para estimar las deformaciones de tuberías enterradas).

El método de colocación de las tuberías se indica en la Fig. 1.16 y comprende las siguientes fases: realización del relleno hasta la cota de la parte superior de las tuberías; excavación de una zanja para las tuberías; conformación a mano de una cama de asiento para cada tubería, adecuada a la curvatura de la misma; relleno bajo condiciones cuidadosamente controladas para conseguir un terreno compacto en las partes laterales y una zona blanda encima de cada tubo.

Los rellenos laterales compactos proporcionan a las tuberías, un apoyo lateral resistente, reduciendo así su deformación latera]. Las zonas blandas tienden a provocar que la parte del terraplén situada directamente sobre las tuberías se asiente más que el resto, transmitiendo así parte de la carga vertical al terreno situado fuera de la zona de emplazamiento de las tuberías; es el fenómeno denominado arqueo o efecto de arco.
Como la carga vertical sobre las tuberías depende de la altura del terraplén, se puede esperar que el asentamiento de las tuberías sea má.ximo en el centro del terraplén. Así ocurrió en el ejemplo citado, en el cual el asentamiento fue de 17 cm en el eje del terraplén y de sólo 1 cm en los extremos del mismo. La tubería de acero flexible, de más de 100 m de longitud, podía resistir fácilmente una flecha de 16 cm.

En este proyecto el ingeniero tuvo que seleccionar el espesor de las paredes de la tubería y dirigir y supervisar la colocación de las mismas.



Tuberías enterradas.
Fig. 1.16 Tuberías enterradas.

Ejemplo de Estructura de Retención o Sostenimiento.

Un tipo habitual de estructura de retención es el zablestacado anclado, que aparece en la Fig. 1.15. Al contrario de un muro de gravedad, el cual tiene una amplia base en contacto con el terreno de cimentación y peso sufiéiente para que exista una fricción entre el suelo y la base del muro que evite un desplazamiento lateral excésiyo del mismo, el tablestacado anclado debe su estabffidad a la penetración en el terreno de cimentación y a un sistema de anclaje próximo a su parte superior.

El tablestacado representado en la Fig. 1.15 se construyó como parte de un muelle de carga. Los buques atracan a lo largo del muelle y se cargan con los productos almacenados en la superficie de éste. La carga se realiza mediante una grúa que se mueve sobre carriles paralelamente al tablestacado.

Para determinar la sección transversal y la longitud del tablestacado, el ingeniero debe calcular los esfuerzos ejercidos por el suelo sobre el muro (presiones laterales). La distribución de estas presiones a lo largo del muro depende, en gran parte, de los desplazamientos laterales que se producen en el terreno situado junto al mismo, y, a su vez, estas deformaciones dependen de la rigidez del tablestacado: un problema de interacción suelo-estructura.

La elección de la longitud y sección de las tablestacas y el proyecto de un sistema de anclaje es únicamente una parte del problema. También ha de tenerse en cuenta la estabilidad cte todo el sistema frente a una fafla general, en la que la superficie de deslizamiento podrfa pasar a través del relleno de tierras y bajo el extremo inferior del tablestacado. Este tipo de estabilidad general puede constituir un problema mucho más grave en el caso de tablestacas ancladas que el proyecto del propio tablestacado.

Las siguientes cuestiones deben tenerse en cuenta para el proyecto de un tablestacado anclado:

1. ¿Qué tipo de tablestacado debe emplearse (material y sección transversal)?
2. ¿A qué profundidad debe penetrar el tablestacado en el terreno delante del mismo?
3. ¿A qué altura debe situarse el anclaje?
4.
Qué longitud debe darse al mismo?
5. ¿Qué sistema de anclaje debe emplearse en el extremo de la bárra?- (Un método de anclaje es emplear un gran macizo de concreto, o muerto. Otro sistema consiste en una serie de pilotes incluyendo algunos pilotes inclinados).
6. ¿Cuál es la distribución de presiones sobre el tablestacado?
7. ¿Qué tipo de drenaje debe colocarse para evitar que se desarrolle una importante presión hidrostática diferencial a ambos lados del tablestacado?
8. ¿Cuál es la mínima distancia permisible entre el tablestacado y la grúa cargada? (59,000 kg de carga total).
9. ¿Qué limitaciones, si proceden, deben imponerse al almacenamiento de cargas sobre la superficie sostenida por el tablestacado?

Fig. 1.15 Tablestacado anclado.