CIMENTACONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS GENERALIDADES DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN, 2006

INSTITUTO DEL CONCRETO
ASOCRETO
SEMINARIO PRÁCTICO
CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO
Manizales, Mayo 18 y 19 de 2006
CIMENTACONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS
GENERALIDADES DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
Por:
Ing. Jose N. Gómez S. (M.Sc.)
Ingeniero Civil; Pontificia Universidad Javeriana, 1980
Magister en Ingeniería Civil - Geotécnia; Georgia Institute of Technology,
Atlanta, U.S.A., 1983
Socio, Subgerente Técnico, C.I.C. Consultores S.A.
Profesor Pontificia Universidad Javeriana, Mecánica de Suelos (Geotécnia)
Aplicada, desde 1990.
Presidente Comisión de Geotécnia de la S.C.I.
RESUMEN
La construcción de cimentaciones de cualquier tipo de estructura u obra civil, son
fundamentales para garantizar la estabilidad de éstas, desde varios puntos de vista, como son,
capacidad portante, asentamientos, sismicidad, manejo de aguas, entre otros. Los tipos de
cimentaciones se clasifican en dos: superficiales, como zapatas y placas, y profundas, como
pilotes, “caissons” y excavaciones; el éxito del diseño de una buena cimentación depende
primordialmente (1) de la ejecución de adecuados estudios geotécnicos de exploración y
definición de los parámetros apropiados físico-mecánicos de los suelos, y (2) del diseño y
modelación estructural. Sin embargo, sí durante el proceso de replanteo y construcción de la
obra no se cumplen las recomendaciones geotécnicas (o peor aún, si no existen!), los
ingenieros o arquitectos constructores y supervisores de obra, podrán afrontar serios
problemas técnicos que inducen a fallas en el suelo de fundación, generando sobrecostos y
demoras en la ejecución de las obras.
En este artículo se presentan procedimientos prácticos y resumidos del diseño de
cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas y excavaciones, destacando los aspectos
constructivos que se deberán tener en cuenta para evitar comportamientos inadecuados de las
fundaciones. Durante la conferencia, actividad complementaria de este artículo, se presentarán
varios casos históricos, resaltando aspectos constructivos.
ORGANIZACIÓN DEL ARTÍCULO
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Conceptos básicos de Resistencia y Comportamiento de Suelos
Programa de Exploración Geotécnica y Ensayos Típicos de Laboratorio
- Procedimiento Recomendado para Realizar una Investigación.
- Análisis y Procesamiento de la Información.
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Tipos y Grupos de Cargas Usados Tradicionalmente
- Métodos de Análisis Estructural.
- Cargas
Tipos de Sistemas de Cimentación y Métodos Convencionales de Análisis y Diseño
(Cimentación Superficial y Profunda, Excavaciones).
- Tipos de cimentaciones.
- Consideraciones para la Selección del Tipo de Cimentación.
- Cimentaciones Superficiales
- Cimentaciones Profundas
Excavaciones
- Tipos de excavaciones
- Estabilidad del Fondo de la Excavación..
- Chequeo del Rebote Elástico
- Sistemas de Abatimiento del Nivel Freático
CONCEPTOS BASICOS DE RESISTENCIA Y COMPORTAMIENTO DE SUELOS
Los suelos son materiales que se encuentran en la superficie de la tierra; el origen de los suelos
puede ocurrir (1) mediante la sedimentación y conformación de depósitos por el transporte
causado por el viento o el agua, estos suelos corresponden a depósitos cuaternarios; o (2),
mediante la meteorización de afloramientos de rocas por variaciones climatológicas, estos
suelos se denominan residuales y son generalmente mas resistentes que los primeros.
De acuerdo con el tamaño de las partículas de los suelos, éstos se clasifican en finos (arcillas y
limos) o gruesos (granulares, arenas, depósitos mixtos); dependiendo de si se encuentran o no
saturados, su resistencia variará de manera importante, por eso es fundamental evaluar esta
condición, ya que se cometen con frecuencia errores en la determinación de la resistencia de
los suelos, especialmente los finos, al emplear hipótesis inapropiadas, como por ejemplo,
calcular la resistencia al corte de una arcilla parcialmente saturada como si estuviera saturada,
con el resultado de un ensayo de compresión inconfinada.
Los suelos finos saturados son de mucho cuidado al ser muy blandos y con resistencias bajas (
cohesión aparente o resistencia no drenada-Cu, 1 – 3 tn/m2), propensos a sufrir fallas por
capacidad portante o asentamientos excesivos, o fallas de fondo en excavaciones; mientras que
los mismos suelos finos, pero parcialmente saturados, son duros con resistencias mayores, mas
de cinco veces (incluyen valores de ángulo de fricción interna-Ø, y cohesión real), y por lo tanto,
sus comportamientos al soportar cargas son mejores y con menores asentamientos. Dentro de
estos últimos están también los suelos residuales, incluyendo suelos de origen granular y
volcánicos, como las cenizas volcánicas con muy buenos comportamientos geotécnicos. Con
base en lo anterior, es muy importante definir los tipos de suelos involucrados en un proyecto y
sus condiciones de humedad, especialmente determinar si se encuentran saturados.
Finalmente, en cualquier situación de diseño de una cimentación, independientemente del tipo
de suelo y sus condiciones de humedad, hay que verificar sus comportamientos a mediano y
largo plazo desde el punto de vista asentamientos o deformaciones, ya sea que por capacidad
portante no exista falla. La falla en suelos se contabiliza con los asentamientos que puedan
ocurrir, o que puedan resistir las estructuras sin agrietarse.
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PROGRAMA DE EXPLORACION GEOTECNICA Y ENSAYOS TÍPICOS DE LABORATORIO
El objetivo de realizar una exploración geotécnica y sus correspondientes ensayos de
laboratorio, es el de conocer las propiedades físico-mecánicas de los materiales o suelos.
Estos estudios deben estar disponibles en las obras y ser revisados y entendidos, por los
ingenieros residentes. Fundamentalmente, se requiere obtener la siguiente información:
1. Naturaleza de los depósitos.
2. Geometría tridimensional y extensión de los depósitos (suelos y/o roca).
3. Características del Nivel Freático.
4. Propiedades geotécnicas.
5. Características y comportamiento del rio (socavación), por ejemplo, en caso de un puente.
Procedimiento Recomendado para Realizar una Investigación Geotécnica
1. Reconocimiento. Determinar geología y estimar los tipos de suelos y sus condiciones de
humedad, roca y nivel freático.
a) Estudio Geológico.
b) Riesgo Sísmico. Mayoración de cargas y licuación.
c) Información de Referencia. Geológica, suelos, topográfica climatológica, metereológica,
hidrológica, fotográfica, sensores remotos, otros (Ingeominas, Igac, Inat, institutos, SCG,
SCI)
d) Visita e Inspección del Sitio. Identificación de todas las posibles características y rasgos
geológicos y tipos de suelos; tomar fotografías.
e) Reconocimiento Aéreo. Importante visualizar topografía e identificar el comportamiento del
río, detectar zonas de inundación.
2.Exploración. Determinar profundidad, espesor y composición de suelos y rocas; estimar
propiedades de ingeniería de los materiales.
a) Planeación del Trabajo e Exploración. Perforaciones, barrenos, apiques, trincheras, toma
de muestras, ensayos de laboratorio.
b) Número de Sondeos/Perforaciones. Por lo menos uno (1) por cada unidad de apoyo si el
apoyo tiene ancho mayor a 30m, por lo menos dos (2).
c) Profundidad de Exploración. Para cimentaciones superficiales, entre 2.5B a 5B debajo nivel
de cimentación. En cimentaciones profundas, por lo menos hasta 6m por debajo punta
pilotes o preferiblemente hasta alcanzar roca; una vez en roca, entre 1.5 y 3.0m mas,
dependiendo si está o no meteorizada. COMO REGLA GENERAL, NO PARAR CUANDO
SE ESTA EN MATERIALES MALOS O BLANDOS.
d) Ensayos Sondeos/Perforaciones. Llevar registros detallados; realizar penetración estándar
(SPT), cono dinámico o Holandés; mas usado SPT, existen correlaciones especialmente
materiales granulares y algunas para arcillas, corregir por profundidad (Peck). Para arcillas
mejor veleta y/o muestras para compresión inconfinada. Para roca, tomar núcleos.
Determinar nivel freático.
e) Ensayos de Laboratorio. Realizar los necesarios, como mínimo:
• Límites Atterberg.
• Granulometrías, lavado tamiz 200.
• Contenidos de humedad.
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• Pesos unitarios.
• Compresión inconfinada (arcillas saturadas y núcleos de roca).
• Corte directo.
• Consolidación.
• Densidad de campo.
f) Profundidad de Socavación. Determinar probable profundidad de socavación mediante
interpretación perforaciones y métodos hidráulicos como Código AASHTO 1991 Artículo
1.3.2 ó FHWA 1988.
Métodos Geofísicos. De empleo resiente, últimos 10 – 15 años, generalmente se utilizan para
determinar de manera preliminar el nivel de roca , diferentes estratos de suelos y nivel freático,
por contrastes de conductividad eléctrica (Resistividad Eléctrica) ó por ondas de compresión
elástica (Refracción Sísmica)
3.Investigaciones Especiales. En caso de requerirse.
Para casos especiales en donde las cargas transmitidas al terreno son altas (p.e. más de
600 - 800tn) y a la vez las condiciones geotécnicas de la fundación son pobres, es necesario
investigar con mas intensidad los materiales. Los ensayos especiales pueden ser:
• Triaxial CU-mín. tres (3) puntos.
• Ensayos in-situ de resistencia ó carga
• Prueba de carga de pilotes y placas superficiales.
• Toma de muestras de suelo inalteradas (superficiales y profundas)
• Evaluación de módulos de elasticidad-E(suelo y roca)
• Evaluación del módulo de reacción del suelo-Ks.
Análisis y Procesamiento de la Información
1. Estudio de Suelos para Diseño de Cimentaciones
El informe debe tener el siguiente contenido (por lo menos)
• Introducción
• Descripción del Proyecto
• Investigaciones de Campo
• Ensayos de Laboratorio
• Estratigrafía y Caracterización
• Riesgo Sísmico
• Evaluación de Alternativas de Fundación
• Análisis de Capacidad Portante y Asentamientos
• Programa de Instrumentación
• Recomendaciones Particulares para Construcción
• Anexos: figuras, registros de apiques y perforaciones o sondeos, registros de
resultados de ensayos de laboratorio, memorias de cálculo y archivo fotográfico
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2. Informes Básicos Complementarios (Otras Disciplinas Técnicas)
• Estudio de Impacto Ambiental
• Estudio de Geología para Ingeniería y Geotécnia
• Estudio y Diseño Estructural
• Informe de Cantidades de Obra, Presupuesto y Programa de Construcción
• Informe Final Resumen
TIPOS Y GRUPOS DE CARGA USADOS TRADICIONALMENTE
El diseño de cualquier tipo de estructura, incluyendo puentes, es un trabajo interdisciplinario, en
equipo, con la participación usual de ingenieros civiles con especialidades en estructuras,
suelos-geotécnia, hidrología e hidráulica de ríos y geólogos. Para evaluar las cargas que serán
transmitidas al terreno, los ingenieros estructurales son los encargados de realizar los cálculos
correspondientes; luego, el ingeniero de suelos o geotecnista con esas cargas, diseña el
sistema de cimentación para las obras, incluyendo los procedimientos y cuidados que se
deberán tener durante la construcción.
Métodos de Análisis Estructural
• Método de Esfuerzos Admisibles. Es un sistema simplificado, no dinámico para el
diseño de estructuras pequeñas y medianas; está basado en teoría elástica.
• Método de Diseño con Factores de Carga. Es un análisis sofisticado en donde se
alcanza la ruptura y hay que tener en cuenta amplificaciones de carga, modelar la
estructura y calcular esfuerzos en todas las uniones, también se tienen en cuenta
simulaciones dinámicas y deformaciones de la estructura; el método es utilizado para el
diseño general de estructuras, incluyendo las especiales o de gran tamaño.
Cargas
• Carga Muerta. Peso de la totalidad de la estructura.
• Carga Viva. Cargas semipermanentes, móviles, o estáticas aplicadas por equipos y
personas, con base en lo establecido en el código NSR-98; para el caso de puentes hay
que tener en cuenta las consideraciones del CCDSP (1995), como por ejemplo, para
puentes principales en carreteras de la red nacional o en ciudades el camión de diseño es
el C 40-95 (40tn), para vías secundarias el camión corresponde al C 32-95 (32tn).
• Cargas por Sismo. Se complementa con estudio geológico para definir actividad tectónica
de la zona o la implementación de estudios de microzonificación sísmica que existan en el
área de los estudios. Evaluación de la máxima aceleración horizontal, de acuerdo con de
acuerdo con el mapa de clasificación de las NSR-98 o el CCDSP(1995)
Para el diseño estructural de puentes existe un procedimiento detallado que se presenta en
el CCDSP(1995) Sección A.3.5.
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Para el diseño geotécnico de las cimentaciones, superficiales y profundas, además de las
cargas verticales, horizontales o de torsión y los momentos dados por el ingeniero.
estructural, es necesario llevar a cabo la evaluación del potencial de licuación de depósitos
arenosos saturados y en estado suelto, con porcentajes de finos inferior al 25-30%, o en el
caso de depósitos de las mismas características pero con mayor presencia de gravas con
tamaño máximo superior a 3-5”, cuando el porcentaje de arenas sea superior al 30%.
• Cargas de Viento. Estas cargas se calculan considerando un viento con una velocidad de
160km/hr o la que se de en el sitio, de acuerdo con los registros meteorológicos. Con base
en lo anterior, las cargas a elementos expuestos en condiciones críticas pueden variar entre
60 y 370kgf/m2.
• Cargas Térmicas. Se deben tener en cuenta considerando variaciones posibles de
temperatura entre –5 y 48°C.
• Flotación. Hay que verificarla especialmente en cimentaciones superficiales, con niveles
freáticos altos, que causan subpresión en las losas o placas de cimentación.
• Presiones Laterales de Tierra. Se deben tener en cuenta para el diseño de los muros de
los sótanos o estructuras enterradas. Dependiendo de la situación hay que tener en cuenta
presión de reposo, activa o pasiva. Se pueden utilizar las teorías clásicas de Rankine o
Coulomb.
Finalmente existen diversos grupos de combinaciones de carga para diseño con factor de carga
que se presentan en diferentes manuales y códigos de diseños estructurales.
TIPOS DE SISTEMAS DE CIMENTACION MÉTODOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO
Tipos de Cimentaciones
• Superficiales. Consisten de columnas o pilas apoyadas sobre zapatas aisladas,
combinadas y losas, las cuales pueden soportar cargas concéntricas, excéntricas y
momentos. También se incluyen las zarpas de los estribos o aletas. Las profundidades de
cimentación por lo general son inferiores a 5m por razones de costo y manejo de aguas de
infiltración.
• Profundas. Consisten de pilotes hincados, pilotes pre-excavados y “caissons”, las
diferencias entre éstos, fuera de los procedimientos constructivos, son los diámetros y por lo
tanto las cargas y condiciones críticas de carga que pueden soportar (diámetros menores
corresponden a los pilotes). Estos elementos pueden trabajar a fricción, por punta,
combinación de ambos y empotrados en roca; pueden soportar cargas verticales, laterales y
momentos.
Como casos especiales se mencionan los pilotes tipo “jet grouting” y pantallas preexcavadas
soportadas temporalmente con lodos bentoníticos o con químicos como
polímeros.
Consideraciones para la Selección del Tipo de Cimentación
1. Generalidades. Los sitios donde se construyen las obras desde el punto de vista materiales
de fundación, depende de la geología de la zona. Es así como en sitios donde la roca aflora
y salvo que el perfil de meteorización sea importante (suelo residual), el material es apto
para soportar cualquier tipo de carga.
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Por otra parte, usualmente en sitios de altitudes bajas y terrenos planos, las condiciones
donde se cimentarán las obras son diferentes y generalmente consisten de depósitos
cuaternarios compuestos de suelos granulares y arcillosos (suelos finos), los cuales se
encuentran apoyados sobre niveles de roca; los espesores y grado de consistencia y/o
compacidad de estos depósitos son variados, determinando por lo tanto, diferentes tipos de
cimentación, desde superficiales hasta profundas, en el sentido de que sí los suelos son
muy blandos y las cargas son altas, es necesario cimentar sobre la roca con pilotes o
diseñar cimentaciones compensadas o placas flotantes.
2. Aspectos por Considerar. Varios son los aspectos y combinaciones de éstos por
considerar para seleccionar el tipo de cimentación mas apropiado.. No existe una regla
general o “receta”, de manera que el análisis debe ser riguroso. A continuación se presentan
los aspectos comúnmente analizados:
• Tipo de Material de Fundación y Resistencia. Primero que todo, la exploración e
investigación de campo debe ser exhaustiva, de manera que se pueda conocer la
geología en detalle y poder tener un conocimiento lo mas preciso posible de los tipos
de materiales y sus propiedades de ingeniería (físico-mecánicas). Se considera un
material competente la roca, los suelos finos duros parcialmente saturados, suelos
granulares medios a compactos (aunque los sueltos se pueden mejorar), algunos
suelos residuales, todos con espesores por lo general superiores a 5m, en estos casos,
la cimentación puede ser superficial. Otro tipo de situación es aquella en que se tienen
depósitos cuaternarios finos saturados, los cuales por su baja resistencia solo pueden
soportar niveles de carga limitados, por tal razón muchas veces es preferible llevar la
cimentación hasta la roca o un suelo competente, cuando ésta no esté muy profunda
(menos de 30-40m), de lo contrario la cimentación podría ser costosa. Sin embargo,
nunca se debe sacrificar la seguridad y estabilidad de la estructura.
• Socavación. Los fenómenos de socavación se traducen en la erosión severa del
terreno, en este caso los depósitos cuaternarios, con la consecuente perdida de apoyo
lateral y/o vertical de cualquier estructura de cimentación. Muchas veces el nivel de
socavación es determinante para definir el tipo de cimentación. Con base en las
características hidráulicas del río, las crecientes que puedan ocurrir con diferentes
periodos de retorno y el grado de consistencia y/o compacidad del depósito, el nivel de
socavación de algunos ríos colombianos pueden alcanzar hasta profundidades de 15-
20m. Si la situación descrita ocurre, es claro que una cimentación superficial no es
posible.
• Cargas Estáticas. La magnitud de las cargas que debe soportar la cimentación
condicionan muchas veces el tipo de ésta, asociado naturalmente al tipo de material de
fundación. Como se dijo anteriormente, para cargas altas y condiciones especiales,
siempre que sea posible se debe cimentar en roca o suelos duros o compactos
competentes.
• Condiciones Sísmicas y Dinámicas. Las cargas sísmicas y dinámicas generan en la
estructura condiciones extremas de comportamiento, traducidas en cargas laterales,
resultantes inclinadas y excéntricas y momentos en los cimientos; lo anterior en
depósitos de suelos puede reducir drásticamente la resistencia de los suelos, en el
caso de capacidad portante hasta un 70% para condiciones de no licuación, en caso
contrario (licuación en suelos granulares), la pérdida total de la resistencia.
Nuevamente en estos casos, es necesario buscar niveles de materiales de fundación
competentes duros o compactos o roca.
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3. Conclusiones. Con base en los aspectos analizados, es claro que no se puede recomendar
un procedimiento único para seleccionar el tipo de fundación, ya sea superficial o profundo.
Lo importante es tener un conocimiento amplio y a la vez detallado de la geología regional y
del sitio del proyecto, de los tipos de materiales de fundación y sus propiedades
geotécnicas, y el comportamiento hidráulico de cualquier cauce de agua en términos de
socavación.
Cimentaciones Superficiales
1. Tipos de Cimientos. Los tipos de cimientos superficiales corresponden a zapatas donde se
apoyan las pilas o columnas de de una estructura y las zarpas de apoyo para los muros de
contención o aletas de los estribos de los puentes; existen diferentes tipos de zapatas
dependiendo de su forma y tamaño: las hay cuadradas y rectangulares, también
excéntricas. Otro tipo de cimentación superficial son las losas de cimentación o placas
flotantes, correspondientes a cimentaciones compensadas, en donde el peso de la
estructura o gran parte de este, es compensado con el peso del material excavado, de
manera que las cargas que soportará el suelo son bajas. Para el diseño de cimentaciones
superficiales, hay que considerar capacidad portante, asentamientos y presiones laterales
de tierra. Muchas veces por capacidad portante los suelos no fallan, sin embargo, los
análisis de asentamientos y deformaciones juegan un papel muy importante en el
comportamiento de las estructuras, y por lo tanto, hay que limitarlos.
2. Capacidad Portante en Suelos. La capacidad portante última de los suelos que soportan
una zapata o una placa de ancho B e infinitamente larga, esta regida por la fórmula general
y clásica desarrollada por Terzaghi-Meyerhof, con carga concéntrica y vertical:
qult =
γB
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Nγ + CNc + QqNq
Las condiciones de la ecuación original son ideales, en el sentido que no considera
geometrías indefinidas, cargas inclinadas, cargas excéntricas ni momentos, situación que
normalmente se presenta en los cimientos que soportarán cargas excentricas en las
esquinas de las estructuras para no apoyar cimientos en el lote vecino, generando
distribuciones de contacto a nivel de fundación no uniformes que se traducen en la
disminución de la capacidad portante. Para tener en cuenta lo anterior existen métodos de
diseños geotécnicos, los cuales consideran reducciones de los factores de capacidad
portante y variaciones de la geometría de las zapatas. En el código NSR-98 y en el
CCDSP’95 en la Sección A.6.4 se presenta el método modificado EPRI(1983) para calcular
la capacidad de soporte última considerando los tipos de carga descritos. A continuación se
desarrolla el método tradicional de Terzaghi-Meyerhof-Bell.
Forma de la Zapata. Los factores de capacidad portante para condiciones ideales se
muestran en figuras dependiendo del ángulo de fricción interna del suelo ( hay fórmulas
como las presentadas en el Título H de las NSR-98, Sección H.4.1.4, también existen las
correcciones de los factores por la forma de la zapata; en general los factores por cohesión
aumentan y por peso unitario disminuyen.
Arcillas o Suelos Finos Saturados. Para el caso especial de arcillas o suelos finos
saturados bajo una condición UU o no drenada con φ igual a cero, solo la cohesión aparente
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Cu influye en la capacidad portante, debido a que los coeficientes لاN y Nq son cero al ser
el valor de φ nulo; de la siguiente manera para propósitos prácticos:
qult = Cu Nc , general
qult = 5.2 Cu, zapatas largas
qult = 6.5 Cu, zapatas cuadradas
Nivel Freático. En el caso en que el nivel freático se localice en la base de la zapata, se
deberá emplear el peso unitario sumergido en el primer término de la ecuación, γ sum =γ- γ w ; el
anterior efecto disminuye la capacidad portante en cerca de la mitad.
Carga Excéntrica. Para considerar el efecto de la excentricidad (e), se puede utilizar la
expresión desarrollada por Meyerhof:
Br = B – 2e
En donde Br es el ancho reducido para considerar el efecto de (e), el cual también genera
una reducción en la capacidad portante.
Momentos. Usualmente se pueden presentar momentos a nivel del cimiento en dirección
transversal y longitudinal, los cuales generan excentricidad y por lo tanto disminución de la
capacidad portante. La excentricidad se calcula dividiendo el momento entre la sumatoria de
fuerzas verticales; una vez obtenida la excentricidad, se procede a evaluar el ancho
reducido Br.
Carga Inclinada. Si la carga transmitida al terreno no es vertical, el patrón de respuesta de
la resistencia al corte del material de fundación se ve alterado; lo anterior también genera
una reducción importante en la capacidad portante. Meyerhof propuso unas correcciones
por carga inclinada a los factores de capacidad portante, para inclinaciones de 10, 20 y 30°
y diferentes Df. Se concluye que pueden ocurrir reducciones de hasta el 100% para Nγ y
del 60% para Nc.
Suelos Estratificados. Cuando los suelos son estratificados o de cierta forma erráticos, se
pueden utilizar valores promedios de φ y c o Cu en condiciones no drenadas, sin embargo,
si estas variaciones son mayores (20%), de alguna manera hay que considerar factores de
seguridad mas altos (Sowers).
Cuando un estrato blando esta encima de uno duro, y su espesor es inferior a 1.5B, qult se
calcula con las propiedades del estrato blando; si sucede lo contrario, la carga de la zapata
tiene que ser distribuida en el contacto del estrato blando, y calcular qult en éste. Existen
otros métodos de análisis que se pueden emplear para comparar resultados, como el
desarrollado en el CCDSP’95, Sección A.6.4.7.1.1.7. y los correspondientes al código NSR-
98.
Zapatas sobre Taludes. Cuando una zapata se localiza en la cresta de un talud o
enterrada en un talud a una distancia menor de 3B, la capacidad portante se ve reducida
proporcionalmente en lo que se disminuye la longitud de la superficie de falla. El CCDSP’95
Sección A.6.4.7.1.1.4, presenta un método; de todas maneras para cualquier tipo de
cimentaciones hay que evitar estas situaciones, ya sea alejando la zapata del talud o
profundizándola.
Capacidad Portante Admisible. Finalmente, la capacidad portante admisible se obtiene de
dividir la capacidad portante última por un F.S. que puede variar entre 2 y 3, dependiendo
del tipo de carga y el grado de conocimiento que se haya alcanzado de los parámetros
geotécnicos de los materiales (qadm = qult /F.S.).
3. Capacidad Portante en Roca. La roca es usualmente reconocida como el mejor material
de fundación por su resistencia mayor comparada con la del suelo y a veces con la del
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concreto. Lo anterior es valido para el caso de rocas homogéneas no fracturadas, sin
embargo, con frecuencia existen la presencia de diaclasas, planos de estratificación, zonas
de esfuerzo, los cuales limitan la capacidad portante de la roca.
Para las situaciones de rocas homogéneas con bajas presiones de confinamiento,
cimentaciones superficiales, puede ocurrir falla local asociada a un comportamiento
quebradizo (”brittle”); bajo estas circunstancias se puede emplear la ecuación general de
capacidad portante, pero utilizando las curvas de factores de capacidad para el caso de
falla sensitiva o local (Sowers).
Para el caso de rocas con presencia de patrones de diaclasas, se presentan dos métodos
prácticos, uno basado en c (cohesión real, intercepto envolvente de falla Mohr) y el otro
basado en qu (compresión inconfinada del núcleo de roca):
qult = JcNcr , última
qadm = Kspqu-núcleo
Finalmente, el diseño definitivo de una zapata sobre roca no solo puede involucrar el
análisis de la capacidad de soporte, sino también un estudio de estabilidad de bloques, lo
cual involucra el diseño de sistemas de anclaje como tendones o pernos para evitar que
bloques de roca se deslicen entre si.
4. Asentamientos. Los asentamientos para suelos finos o materiales arcillosos se pueden
calcular a partir de la teoría clásica de consolidación, combinando el método de la relación
de vacios (e) y el índice de compresión (Cc), subdividiendo la fundación en estratos:
Cc
S =
1+eo
lg
Para el caso de materiales granulares, se puede utilizar el método desarrollado por
Schmertmann para arenas gruesas y finas, a partir de valores de N obtenidos del SPT o del
cono estático, en donde el módulo elástico aparente puede ser determinado (Es):
Es = k qcono, gruesos
Es = msσ‘p , finos
σ’ o + ∆σ’
σ’ o
En el caso de fundaciones en roca, los posibles asentamientos están determinados por la
abertura de las diaclasas u otro tipo de discontinuidades, los cuales van ocurriendo de
manera inmediata. En caso de rocas muy fracturadas y/o meteorizadas, dependiendo del
material de origen se pueden utilizar los mismos procedimientos empleados en suelos.
5. Aletas Estribos y Muros de Contención. Para el caso del diseño de estas estructuras hay
que seguir los procedimientos tradicionales que se emplean para el diseño de muros de
contención. Nuevamente, hay que hacer énfasis en la determinación de los parámetros
geotécnicos de los materiales involucrados: material de fundación y relleno de
confinamiento; en estos casos no se deben asumir parámetros. Es importante la
determinación del peso unitario y propiedades de resistencia del material de confinamiento
(c y φ); para el material de fundación, también los parámetros de resistencia y localización
del nivel freático.
Presiones Laterales de Tierra. Los métodos tradicionales de la teoría de Rankine y
Coulomb son los empleados, considerando las sobrecargas causadas por las cargas
muertas y vivas; es conveniente siempre emplear presiones al reposo, para evitar
deformaciones que se reflejen el la estructura del pavimento. Para considerar el efecto de
un sismo, se utilizan los métodos pseudoestáticos en donde se considera una fuerza crítica
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horizontal equivalente al peso de la estructura de contención, multiplicada por el coeficiente
sísmico de la zona (α).
Chequeos Geotécnicos y de Estabilidad. Para garantizar el comportamiento estable de
las estructuras de contención, en este caso las aletas de los estribos, es necesario llevar a
cabo una serie de chequeos, con mayor énfasis en aquellos en que se involucran los
parámetros de resistencia de los materiales de fundación:
• Estabilidad al Volteo. Chequeo estático; se involucran las propiedades de resistencia
del relleno de confinamiento y el efecto de un sismo.
• Capacidad Portante. Este chequeo es muy importante ya que la fuerza resultante que
actúa sobre la fundación es excéntrica y a la vez inclinada, por lo tanto la capacidad de
soporte de la fundación se ve disminuida. Hay que verificar que la resultante pase por el
tercio medio de la zarpa de la estructura, para evitar que se generen esfuerzos
negativos en el sistema y reducir los riesgos de falla por volteo; hay también que calcular
la distribución de presiones en la base de la estructura. Se requieren todos los
parámetros de resistencia de los materiales involucrados y localización del nivel freático.
• Estabilidad al Deslizamiento. En este chequeo juega un papel muy relevante la
resistencia del material de fundación (c y φ) y la localización del nivel freático; se verifica
que la estructura no se deslice a causa de la componente horizontal de la presión lateral
de tierras y el efecto de un sismo.
• Riesgo Sísmico. Para el comportamiento en si de la estructura, hay que considerar la
fuerza del sismo en los chequeos presentados. Por otra parte, en el caso de la presencia
de materiales granulares saturados y en estado suelto (SPT – N menor 6), es necesario
realizar verificaciones del potencial de licuación; varios métodos hay disponibles, como
el de Seed and Idriss. En caso que la fundación sea susceptible a licuación, es
necesario pensar en sistemas de cimentación profundos o si es el caso, densificar el
estrato suelto.
• Asentamientos. En caso que puedan ser importantes, se calculan por los métodos
tradicionales, ya sea el material de fundación granular, arcilloso o roca. En cualquiera de
los casos no se desean asentamientos que deformen la estructura del pavimento y que
causen consecuentemente movimientos diferenciales en las juntas del puente.
• Sistema de Drenaje. Los sistemas de drenaje en las estructuras de contención y muros
enterrados, juegan un papel importante a mediano y larga plazo, como en todas las
obras de ingeniería civil. No se deben ahorrar esfuerzos ni recursos cuando se trata de
diseñar estas obras; el no hacerlo, conllevaría a posibles incrementos en las presiones
laterales de tierra del orden del 50 – 65%, generando deformaciones en todo el sistema.
Existen variedades de sistemas, desde los mas sencillos como lagrimales espaciados
1.5 – 3.0m en arreglos tres bolillos o cuadrados; es importante que las posibles aguas
de infiltración colectadas, sean encausadas a sistemas externos como cunetas, para
que éstas no saturen la fundación del muro con el tiempo.
Cimentaciones Profundas
1. Tipos de Cimentaciones Profundas. Estas estructuras tienen que ver con pilotes
hincados, pilotes pre-excavados y “caissons”, los comúnmente usados en el país.
Básicamente, para seleccionar el tipo de estructura mas adecuada es necesario conocer
la magnitud de las cargas que soportarán, y si estas tienen componente lateral, lo cual
es usual por la acción de un sismo. En este orden de ideas, los pilotes hincados son los
que tienen menores diámetros (15 – 30cm) y resisten menos (10 – 25tn) dependiendo si
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trabajan a fricción, punta o combinación de éstas. Los pilotes pre-excavados son
construidos con máquinas perforadoras, pueden alcanzar diámetros de hasta 1.5m,
mayores longitudes (30 – 40m) y por lo tanto, soportar cargas tan altas como 80 - 100
tn, dado el diámetro que pueden tener y es posible especialmente cuando trabajan
empotrados en roca, también es posible diseñar con cuantías de acero altas, para
soportar esfuerzos de flexión importantes cuando se tienen confinamientos pobres o
estructuras en ambientes marinos. Los “caissons” son también pilotes pre-excavados
con equipo menor y por etapas, garantizando la estabilidad de la excavación con la
construcción de anillos reforzados de concreto; cuando hay presencia de agua, el
trabajo se puede dificultar y ser peligroso, estas estructuras también se pueden construir
con diámetros grandes (1.5 – 2.0m), con la ventaja adicional de que cuando se alcance
el estrato de apoyo, la punta se puede ensanchar tipo “pata de elefante” para soportar
aún mayores cargas.
2. Consideraciones Generales de Diseño Geotécnico. El ingeniero geotecnista es el
encargado de investigar las condiciones del subsuelo y la roca, evaluar los parámetros
de resistencia de éstos, de manera que el ingeniero estructural pueda llevar a cabo el
diseño interno de la estructura (hipótesis de comportamiento, acero de refuerzo, etc.).
Los parámetros esenciales tienen que ver con la resistencia al corte y cohesión de los
suelos, compresión inconfinada y módulo de elasticidad de la roca, resistencia pasiva de
los suelos, localización del nivel freático. Por otra parte, es altamente recomendable
para todos los casos, que se realicen pruebas de carga de pilote antes de iniciar la obra,
con el objeto de verificar las hipótesis de diseño y poder hacer los ajustes necesarios a
tiempo. Es importante insistir que cuando los pilotes trabajen por punta queden como
mínimo 3.0m empotrados en el estrato portante si este es un suelo duro o roca, de lo
contrario este empotramiento debe ser de por lo menos 6.0m; por otra parte, si los
pilotes trabajan por fricción, se debe verificar que ésta se desarrolle por debajo del
posible nivel de socavación, si es el caso de un puente. Es de la opinión del autor, en
caso de depósitos cuaternarios apoyados sobre roca, mejorar las condiciones de
seguridad de las estructuras apoyándolo directamente sobre roca, si el espesor del
depósito lo alcanza a permitir, inclusive sacrificando un poco el valor del proyecto.
Siempre que sea posible, el ingeniero geotecnista debe verificar el material de apoyo del
pilote. Finalmente, en el código NSR-98 Título H y el CCDSP’95 en la Secciones A.6.5 y
A.6.6, presenta la normatividad que se debe seguir en el país para el diseño y
construcción de cimentaciones profundas.
3. Capacidad Portante (Estática). La capacidad última (Qult) de un pilote está dada por
la suma de la resistencia última a la fricción (Qs) y la resistencia última de punta (QT),
los cuales se analizan por separado. En general, la resistencia última por punta entre
otros métodos, se puede expresar en términos de la ecuación general de capacidad
portante, pero empleando los factores de capacidad desarrollados por Meyerhof, para
casos superficiales considerar profundidades de z/2D :
Qtult=cNc + qqNq
Para evaluar la fricción última hay que calcular la resistencia al corte que se desarrolla
en la pared del pilote, ya sea considerando el efecto de solo el suelo o la interacción
entre el suelo y la pared del pilote:
Qsult=
c + σ’h tan φ
ca + σ’h tan δ
, utilizar el menor valor.
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En los pilotes hincados σ’h es mayor que en los pilotes preexcavados, por lo tanto, la
fricción puede ser mayor.
Para el desarrollo de Qs (fricción) hay que tener en cuenta el porcentaje de
asentamiento (S) que experimente el pilote, de tal manera que si S es cero, Qs no se
moviliza, como es el caso de pilotes en roca. De tal forma, que dependiendo de los
asentamientos, un pilotes puede trabajar parcialmente por fricción o por punta.
4. Cargas Laterales. Los pilotes diseñados para soportar cargas transmitidas por puentes
o muelles o efectos de sismos en cualquier tipo de estructura, frecuentemente tienen
que soportar cargas. Es importante que al ingeniero estructural se le informe de la zona
de socavación en donde el pilote no tendrá confinamiento o soporte lateral, para así
considerar en los diseños la no existencia de apoyo lateral.
Para el cálculo de la capacidad lateral del pilote, una forma consiste en considerar una
viga o elemento esbelto soportado elásticamente por medio de resortes, cuyas
propiedades se determinan con base en el módulo de reacción del suelo (Ks) o
constante de reacción del suelo, de tal manera que se calculan el momento y cortante,
con los cuales se diseña el refuerzo correspondiente (libro de Poulos Davis). El Ks se
puede correlacionar con valores de SPT o con ensayos de campo (Zeavert).
5. Capacidad Admisible del Pilote. Finalmente, la capacidad de diseño axial admisible
del pilote, es la siguiente:
Qadm = Qult / F.S.
El ingeniero estructural con base en la anterior información, debe verificar la capacidad
estructural del pilote, con base en las hipótesis de comportamiento de la estructura, para
las diferentes condiciones de carga y sismo.
EXCAVACIONES
Tipos de Excavaciones
En general las excavaciones urbanas se pueden agrupar en dos tipos: zanjas o excavaciones
angostas, como por ejemplo para instalación de redes de servicio, y sótanos o excavaciones
semiprofundas, profundas y anchas. En cualquiera de estos tipos de excavaciones e
independientemente de los sistemas de soporte de empujes laterales de tierra que son
diseñados, es necesario e importante realizar en excavaciones en suelos finos saturados,
chequeos de la estabilidad del fondo de la excavación para evitar la ocurrencia de una falla por
levantamiento del fondo al desconfinar el depósito, y un chequeo de la ocurrencia del rebote
elástico bajo cualquier condición de grado de saturación, consistente en un levantamiento
menor del fondo de la excavación. Por otra parte, en suelos gruesos saturados, permeables
como arenas, es determinante anticipar el control o abatimiento del nivel freático, para reducir
subpresiones de agua en el fondo de la excavación o evitar la disminución de los esfuerzos
efectivos.
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Estabilidad del Fondo de la Excavación
Los depósitos de suelos finos saturados se comportan al ser excavados, como un fluido muy
viscoso o un material elasto-plástico. Estas características originan que si la geometría de
excavación, a pesar de que se halla diseñado un buen sistema de soporte de las presiones
laterales de tierra, no es apropiada, el fondo de la excavación se levantara, al quedar
descubierto con la excavación realizada. Básicamente, lo que ocurre es una falla por rotación
profunda, involucrando cuñas de suelo o estructuras adyacentes. Con base en la fórmula
clásica desarrollada por Terzaghi, el factor de seguridad de una excavación se determina de la
siguiente manera:
F.S.= 5.7Cu-qu
(γ - Cu/0.7B)H
Siendo B el ancho de la excavación, H la profundidad y qu cualquier sobrecarga perimetral
existente, la cual bajo cualquier circunstancia se debe evitar. Existen otros análisis que se
pueden también considerar como el de Bjerrum, el método modificado de Terzaghi y el método
del equilibrio límite propuesto por Ming-Fang Chang. Lo importante en este análisis es
balancear los valores de H y B, de tal manera que se obtengan valores preferiblemente
superiores a 1.5. En caso que el valor de B sea muy alto, la excavación se deberá llevar a cabo
por etapas o franjas. Finalmente, en caso que por debajo del fondo de la excavación exista un
estrato de material competente, la estructura de soporte de las paredes de la excavación se
podrá llevar hasta dicho estrato, para confinar el suelo blando y evitar la falla de fondo.
Chequeo de Rebote Elástico
El fenómeno del rebote elástico ocurre en materiales finos, al desconfinar el fondo de la
excavación con el material sacado. Es un evento rápido y causado por una relajación elástica
del material, similar a suponer a que el suelo antes de ser excavado en el nivel del fondo se
comporta como un resorte comprimido, el cual al quitarle el peso del suelo superior, se
expande. Para el cálculo del rebote elástico se supone que la carga que lo origina es el peso del
material excavado; con esta carga y utilizando la fórmula de asentamientos basada en teoría de
consolidación ( presentada arriba en el cálculo de asentamientos para cimentaciones
superficiales), pero empleando el CR (índice de recompresión) en lugar del CC. En caso de que
el rebote sea menor de 5 – 10cm, éste se podrá remover o perfilar el piso de la excavación una
vez ocurra. Por otra parte, para rebotes superiores a 15 – 20cm, se pueden proyectar pilotes de
madera de pequeña longitud (3 – 6m), antes de iniciar la excavación; estos pilotes trabajan a
fricción invertida.
Sistemas de Abatimiento del Nivel Freático
En los suelos de partículas gruesas como las arenas y depósitos granulares saturados, por su
alta permeabilidad, es preciso aislar el nivel freático de la excavación o abatirlo, para impedir
que éste entre al cajón o zanja de excavación. Este fenómeno no es determinante en el caso de
suelos finos a corto plazo, debido a que las permeabilidades al ser bajas no alcanzan a
generarse fuerzas de infiltración ( k inferiores a 1 x 10ˉ³ cm/seg).
El enfoque de las soluciones para controlar las aguas de infiltración, tiene que ver con (1)
impedir que éstas entren de manera directa a la excavación y (2) abatir o bajar el nivel freático
antes de iniciar la excavación. En el primer caso se incluye la construcción de pantallas de
concreto o sistemas de tablestacas estancos, que sobrepasen el fondo de la excavación, en por
lo menos un 50% el equivalente a la altura que va a ser excavada; también se contempla la
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posibilidad de que la pantalla de concreto o tablestacas, quede empotrada en un estrato
impermeable que se encuentre por debajo del fondo de la excavación. En el segundo grupo, se
incluyen los sistemas de puntos de bombeos o “well points” con capacidades hasta para bajar el
nivel freático unos 4 - 5m; estos sistemas consisten en introducir unos tubos de hasta 6m de
longitud, con un diámetro de unas 2”, perforados en la punta y espaciados del orden de 1m, los
tubos se conectan a una tubería matriz de unas 6” de diámetro, la cual va unida en un extremo
a una bomba con capacidad suficiente, para que por succión, se pueda abatir el nivel freático al
estar el otro extremo de la tubería con un tapón hermético; finalmente, se tienen los sistemas de
pozos profundos, de más de 10 – 15m de profundidad y diámetros superiores a 8”, en donde se
instalan en el fondo de la perforación, bombas sumergibles, como por ejemplo bombas tipo
“lápiz”, estos pozos pueden tener diferentes espaciamientos dependiendo de la permeabilidad
de los depósitos granulares. En todos los sistemas de abatimiento del nivel freático por bombeo,
es necesario llevar a cabo pruebas de bombeo en el sitio antes de iniciar las excavaciones, con
el propósito de calibrar los sistemas, de manera que el nivel freático se pueda bajar a los
niveles deseados; esta última necesidad se puede conocer casi de manera inmediata, debido a
la alta permeabilidad presente, con la implementación de un sistema de instrumentación que
contemple la instalación de piezómetros tipo Casagrande ( tubo abierto), neumáticos, eléctricos
de cuerda vibrante, entre otros.
BIBLIOGRAFIA BASICA RECOMENDADA
−
Soil Mechanics in Engineering Practice. By K., Terzaghi and R. Peck (Mecánica de Suelos
en la Ingeniería Práctica, versión en español).
− Introductory Soil Mechanics and Foundations: Geotechnical Engineering. By George F.
Sowers (Introducción a la Mecánica de Suelos: Geotecnia, versión en español).
− NSR-98, Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente; Título A:
Requisitos generales de diseño y construcción sismo resistente, y Título H: Estudios
geotécnicos. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica – AIS; Ley 400 de 1997, Decreto
33 de 1998.
−
−
Foundation Engineering. By R. Peck, W. Hansen and T.H. Thornburn ( Ingeniería de
Fundaciones, versión en español).
Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes. Ministerio de Transporte, Instituto
Nacional de Vías, Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica - AIS, 1995.
− Basal Stability Analysis of Braced Cuts in Clay. Ming-Fang Chang; JGGE-ASCE, Vol 126
No 3, March 2000.
AGRADECIMIENTOS
El autor desea agradecer de manera muy especial al Instituto del Concreto y Asocreto
(Asociación Colombiana de Productores de Concreto), por haber extendido la invitación a
presentar este artículo y su correspondiente conferencia, con motivo de la realización del
Seminario Práctico, Construcción de Estructuras de Concreto, en la ciudad de Manizales, mayo
18 de 2006.
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