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INGENIERÍA DE CIMENTACIONES^1
1. Definiciones 1.1 Objeto de las Cimentaciones Todas las obras de Ingeniería Civil, como edificios, puentes, presas, bordos, caminos, aeropistas, canales, etc., se desplantan sobre o bajo la superficie del terreno y requieren de una cimentación apropiada que proporcione seguridad y buen comportamiento a costos razonables. 1.2 Definición de cimentación Terzaghi-Peck (Ref. 1) definen una cimentación como aquélla parte de una estructura que sirve exclusivamente para transmitir su peso al terreno natural. En un sentido más amplio, una cimentación es la o las partes de una estructura que le proporcionan apoyo a la misma y a sus cargas. Incluyendo al suelo o roca y a las partes de la estructura que sirven para transmitir las cargas. Así en un edificio cimentado sobre zapatas, la cimentación está constituida por el conjunto zapatas-suelo. En una cortina de tierra, el elemento de cimentación es el propio terreno que la subyace. 1.3 La Ingeniería de Cimentaciones Es una rama de la Ingeniería Civil que trata sobre la evaluación de la capacidad de carga del sistema suelo-cimiento, de las deformaciones que experimenta la cimentación y de los procedimientos constructivos necesarios para su realización. 2. Requisitos esenciales que debe satisfacer una cimentación Debe tener un factor de seguridad razonable contra una falla por resistencia al corte. Los asentamientos totales y diferenciales bajo las cargas de trabajo no deben exceder los límites permisibles de la estructura que se trate. En algunos casos es importante la localización, la cual debe ser tal que evite cualquier influencia futura que pudiera afectar el comportamiento de una cimentación, y por lo tanto, de la estructura que sostiene. Un ejemplo es un puente localizado en la curva de un cauce donde existe socavación lateral. La cimentación de estructuras hidráulicas, tales como presas, diques, bordos y canales, debe satisfacer un requisito más que es el de permeabilidad. Como puede deducirse de lo anterior, en general para el estudio de cimentaciones, van a interesar las tres propiedades mecánicas principales de los suelos: resistencia al corte, compresibilidad y permeabilidad. (^1) Dr. Rigoberto Rivera Constantino, Profesor Titular, Facultad de Ingeniería, UNAM.
En el estudio de la cimentación de la cortina de una presa van a interesar las tres propiedades. En el caso de un edificio interesarán las dos primeras, excepto cuando se efectuen excavaciones bajo el nivel de aguas freáticas (NAF) donde podría interesar la tercera para diseñar el sistema de abatimiento o de control del NAF.
3. Clasificación de las cimentaciones Las cimentaciones de estructuras de concreto o acero (edificios, torres, puentes, etc.) se clasifican en la siguiente forma: cajones cilindros pilas especiales de punta de fricción o adherencia mixtos pilotes sobrecompensados compensados parcialmente compensados totalmente cajones losas zapatas Profundas Superficiales Cimentaciones de estructuras de con- creto o acero Otras estructuras, como son las de tierra o enrocamiento (presas, bordos, rellenos, terraplenes, plataformas, etc), no poseen una subestructura o elementos de cimentación bien definidos o especiales, excepto el propio terreno o desplante. En ocasiones se aplican tratamientos para mejorar las propiedades del subsuelo con los siguientes fines: a) incrementar la resistencia al corte; b) reducir la compresibilidad; c) reducir filtraciones. En estos casos las cimentaciones pueden clasificarse en desplantadas en terreno natural o en terreno tratado.
(a) CIMIENTO EN MURO INTERIOR (b) CIMIENTO EN MURO DE COLINDANCIA MURO B MAMPOSTERIA Df 60° CADENA B MAMPOSTERIA 60° CADENA MURO Fig. 3 Cimientos continuos de mampostería 3.3 Losas de cimentación Una losa de cimentación es una placa que cubre la totalidad de la planta de la superestructura, por lo menos, y que transmite el peso total de ellas al subsuelo de apoyo. Se opta por su empleo cuando la magnitud de las cargas de la estructura y las características mecánicas del subsuelo son tales que las zapatas requeridas ocuparían algo más de la mitad del área de la proyección en planta del edificio. ESTRUCTURA DE CONCRETO MURO DE CARGA Fig. 4 Losa de cimentación Fig. 5 Losa-piso en edificaciones económicas Comúnmente las losas son de concreto reforzado y se rigidizan con contratrabes para reducir asentamientos diferenciales y para transferir la reacción sobre la losa (Fig. 4). En casas muy ligeras se han utilizado por economía, cuando se aplican procedimientos de construcción en serie, donde la propia losa sirve a la vez de piso de planta baja (Fig. 5).
3.4 Cimentaciones compensadas Las cimentaciones compensadas se utilizan en edificios que transmiten cargas de mediana magnitud a suelos de compresibilidad media a alta y cuya capacidad de carga resulta baja. En estas cimentaciones se remueve un peso de suelo tal que si éste resulta igual al peso de la estructura, la cimentación recibe el nombre de totalmente compensada. En ciertas circunstancias el peso del material removido puede ser menor o mayor que el peso de la estructura, por lo que la cimentación recibe el nombre de parcialmente compensada y sobrecompensada, respectivamente. Debido a que este tipo de cimentaciones requieren de un cajón monolítico, su rigidez es muy grande, lo que provoca que las presiones de contacto se concentren en los bordes del cajón. Si la cimentación se encuentra sometida a momentos de volteo importantes, por ejemplo sismo, se puede producir una falla local en esa zona, lo que provocaría un desplomo del edificio y es casos extremos su falla total por inestabilidad. Los cajones generalmente están formados por las losas de cimentación y tapa, retícula de contratrabes y muros de contención (Fig. 6). En ocasiones la losa de cimentación se substituye por cascarones cilíndricos invertidos. 3.5 Pilotes de fricción Cuando las capas del subsuelo cercanas a la superficie son muy compresibles, formadas por arcilla muy blanda, suelos orgánicos y turba o limo y arena en estado suelto, se utilizan cimientos profundos constituidos por elementos alargados que transmiten parte o todo el peso del edifico a estratos profundos resistentes o menos compresibles que los superiores. Algunas veces el costo elevado y los problemas de construcción, además de un mal comportamiento de los cimientos superficiales, conducen al empleo de los profundos. Fig. 6 Cimentaciones compensadas LOSA DE CIMENTACIÓN CONTRATRABE (losa de PB) TAPA MURO DE CONTENCIÓN B Df
de adherencia. La Fig. 8 ilustra la cimentación de un edifico con pilotes apoyados de punta en la capa dura. NAF Manto Superficial Formación Arcillosa Superior Capa Dura Formación Arcillosa Inferior Depósitos Profundos Fig. 8 Edificio con pilotes de punta localizado en la zona del lago Los pilotes mixtos son aquellos en los que el trabajo de adherencia o fricción es tan importante como el de punta, sin embargo, hay que tomar en cuenta que los niveles de deformación necesarios para alcanzar la capacidad de carga última en los pilotes de fricción y punta son muy diferentes, por lo que estas dos componentes de la capacidad de carga no son aditivas en muchos de los casos. 3.7 Pilotes especiales A raíz del hundimiento regional que existe en la Ciudad de México, se han ideado pilotes especiales con dispositivos de control manual o automático. La figura 9 muestra el mecanismo de un tipo de pilote con dispositivos de control manual (Ref. 2). El peso del edificio es transmitido de la losa de cimentación a la cabeza de los pilotes a través de las anclas y el cabezal. Entre éste y los pilotes se colocan las celdas de deformación que son cubos de madera. El funcionamiento de los pilotes con celdas de madera consiste en que éstas se deformen con igual velocidad que la superficie del terreno se hunde, sin embargo, esto no ocurre generalmente en la práctica ya que la madera tiene características de tiempo – deformación diferentes a las del suelo. La cimentación requiere de una conservación
continua, pues en caso contrario a largo plazo los pilotes trabajarían de punta, bajo una condición de carga más crítica que la considerada en el diseño. Un segundo tipo de pilotes especiales, que se han utilizado en algunos edificios de la ciudad de México, son los denominados pilotes penetrantes de sección variable. Con estos pilotes se pretende también evitar que los edificios emerjan por efecto de la consolidación regional, haciendo que la punta del tramo inferior, de sección transversal menor que la del resto del pilote, penetre en la capa dura una vez que la fricción negativa haya alcanzado un valor suficiente, llegando a una condición tal que cualquier tendencia de la fricción negativa a aumentar es automáticamente anulada por la penetración de pilotes. La cimentación del Palacio de los Deportes de la ciudad de México constituye un ejemplo de este tipo de cimentación. Con escasa frecuencia se han utilizado otros tipos de pilotes especiales: los pilotes entrelazados y los pilotes electrometálicos. Los pilotes entrelazados constan de un conjunto de pilotes convencionales ligados a la subestructura (pilotes A), más otro conjunto apoyado en la capa dura (pilotes B), como lo ilustra la figura 10. Los colchones de suelo compresible entre la punta de los pilotes A y la capa dura y entre la cabeza de los pilotes B y la losa de cimentación absorben los enjuntamientos de la formación arcillosa superior debido a la consolidación regional, impidiendo que la estructura emerja.
CAJÓN Losa de Cimentación Pilote tipo A Pilote tipo B Fig. 10 Pilotes entrelazados Además de los usos de pilotes en los casos antes mencionados hay otros, tales como en la compactación de suelos sueltos, en la estabilización de terraplenes en laderas, en muelles y duques de alba para soportar fuerzas horizontales, etc. La figura 13 ilustra algunas de estas aplicaciones. Material Suave (^) Superficie Original (b) ESTABILIZACIÓN DE TERRAPLENES (c) MUELLES^ (d) DUQUES DE ALBA PIlotes de defensa Batería de pilotes Arena Suelta (a) COMPACTACIÓN DE SUELOS Fig. 11 Otros usos de pilotes 3.8 Pilas Las pilas son elementos de dimensiones mayores que las de los pilotes siendo, por lo tanto, de una capacidad de carga más alta. Son elementos prismáticos colados en una perforación y que se apoyan en roca o suelos compactos o duros. Generalmente en su
extremo inferior tienen una ampliación que se denomina campana. Las condiciones del subsuelo y los procedimientos constructivos son factores determinantes para decidir su uso. En la referencia 3 se tratan a detalle los aspectos de diseño, construcción de este tipo de elementos. La figura 12 muestra un caso real de cimentación a base de pilas desplantadas a 10.5m de profundidad, utilizando en un edificio de 18 pisos construido en la zona de baja compresibilidad de la Ciudad de México. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 PB S SUELOS COMPRESIBLES DEPÓSITOS COMPACTOS DE SUELOS ARENOLIMOSOS Y LIMOARENOSOS Fig. 12 Cimentación de un edificio con pilas Los cilindros de cimentación son elementos huecos de grandes dimensiones, cuya capacidad de carga es mucho mayor que la de las pilas. Se utilizan generalmente para la cimentación de los apoyos de grandes puentes y de otras estructuras pesadas. En vista de las grandes dimensiones de estos elementos, se aplican procedimientos de construcción especiales que consisten en hincarlos haciendo fallar el terreno por resistencia al corte en su base. La figura 13 muestra el cilindro utilizado en el apoyo número 11 del puente Coatzacoalcos (Ref. 4). Cuando la cimentación tiene grandes dimensiones en planta y se localiza a gran profundidad bajo el agua, se utilizan cajones de cimentación. Estos se hunden hasta el desplante a medida que se construyen en la superficie. Un cajón puede estar formado por una celda o subdividido en varias separadas entre sí. Los cajones pueden ser de dos tipos: abiertos o neumáticos con aire comprimido. Los primeros están abiertos tanto en el fondo como en la superficie y el material excavado se extrae con draga de succión o con “cucharón de almeja”.
En ocasiones es económico el empleo de materiales de precarga para consolidar terrenos compresibles y mejorar su resistencia al corte antes de construir la estructura definitiva. La figura 14 (Ref. 4) muestra el caso del mejoramiento de un terreno arcilloso compresible mediante el peso de un relleno temporal colado en la superficie donde va a construirse un tanque de almacenamiento. El peso del relleno es por lo menos igual al peso del tanque lleno, abarcando en planta la superficie del mismo. Cuando el suelo se ha consolidado o ha experimentado un porcentaje de consolidación adecuado, según nivelaciones y mediciones de campo que para este fin se realicen, se retira el relleno para proceder a la construcción del tanque. BANCOS PROFUNDOS ARCILLA MUY COMPRESIBLE TERRENO COMPACTO TANQUE DE ALMACENAMIENTO PRECARGA BANCO SUPERFICIAL Fig. 14. Empleo de precargas para la consolidación previa del terreno
- Algunos casos que ilustran problemas de cimentación de estructuras de tierra La construcción de terraplenes para caminos o vías férreas a través de terrenos pantanosos, presentan serios problemas debidos a la alta compresibilidad de la turba y suelos orgánicos que los constituyen. En este tipo de obras los asentamientos deben ser tolerables para su operación normal. Dependiendo principalmente del espesor de los suelos compresibles, existen varios procedimientos de construcción que pueden consistir en: (a), extraerlos totalmente con draga; (b), desplazarlos con el peso del propio terraplén; (c), utilización de cargas explosivas para facilitar el desplazamiento del suelo con el peso el propio terraplén. Todos los casos antes descritos tratan con problemas de resistencia al corte y compresibilidad, sin embargo, existen otros relacionados con la permeabilidad del terreno, especialmente en obras hidráulicas como presas. 2.Requisitos de una cimentación Como todas las partes de una estructura, la cimentación debe cumplir con los siguientes requisitos: a) La cimentación deberá localizarse apropiadamente para evitar cualquier influencia futura que pudiera afectar su comportamiento.
b) La cimentación debe ser segura contra fallas por resistencia al corte del subsuelo. c) La cimentación no debe asentarse o deformarse más allá de los valores tolerables (establecidos por la Normatividad) para evitar daños y reparaciones de la estructura. El orden de importancia de estos requisitos es el antes señalado. El primero es difícil de determinar ya que involucra factores muy diversos, algunos de los cuales no pueden evaluarse analíticamente y deben de determinarse con buen criterio ingenieril. El segundo requisito es especifico. Equivale a la condición que debe de cumplir una trabe de la superestructura para que sea segura a la falla ante la carga de trabajo a que estará sujeta. El tercer requisito es a la vez especifico y difícil de determinar. Equivale a la condición que debe cumplir una trabe para que no se deforme más allá de un valor que pudiera ser objetable; la magnitud de la deformación es especifica, pero es objetable porque no puede definirse con precisión. Estos tres requisitos son independientes uno del otro, pero cada uno debe satisfacerse. Lo anterior significa que si solamente dos de ellos se cumplen la cimentación es inadecuada. Estos requisitos deben aplicarse en forma racional para evitar diseños defectuosos. Si la cimentación es excesivamente segura, no sólo podrá implicar costos elevados, sino también problemas de construcción. Situaciones como estas se observan frecuentemente en la aplicación diaria de la ingeniería. Como ejemplo se cita el caso de un edifico, localizado en un sitio donde el subsuelo estaba constituido por depósitos relativamente sueltos y de reducido espesor, bajo los cuales existía una formación de lutitas alteradas. Se realizaron sondeos de penetración estándar, obteniendo un número elevado de golpes, superior a 30 por 30cm de penetración. Como no se obtuvieron muestras inalteradas para determinar en el laboratorio la resistencia al corte, el ingeniero a cuyo cargo estaba el estudio, estimó por correlaciones inapropiadas un valor de adherencia entre pilote y suelo de 1.6 t/m^2 , pensando en que la cimentación apropiada sería una formada por pilotes precolados trabajando por adherencia. Para pilotes de 60t de carga de trabajo y de 40 cm de diámetro, determinó y recomendó que la longitud requerida sería de aproximadamente 30 m. El ingeniero estructurista diseñó con esta base la subestructura. La obra fue concursada conforme a este diseño, procediendo el contratista a colar todos los pilotes. Cuando se intentó hincar el primer pilote, éste no penetró más de 1m en la lutita alterada y en vista de esta situación el ingeniero consultor en mecánica de suelos propuso hacer perforaciones previas al hincado de los pilotes de diámetro ligeramente menor que el de los pilotes. Bajo esta nueva recomendación los pilotes penetraron hasta unos 10 m de profundidad. Ante este segundo fracaso, se hizo una revisión de la cimentación, encontrando que la solución era inapropiada debido a que se subestimaron las propiedades del subsuelo, optando por otra cimentación constituida por pilotes cortos trabajando por
3.1 Otros factores En algunos casos debe tomarse en cuenta la influencia de otros factores, como el comportamiento de edificios vecinos, la existencia de hundimiento regional (Ejemplo “Zona del Lago” de la Ciudad de México), los efectos de socavación en cimientos de puentes, etc. Las estructuras en cuanto a su sensibilidad pueden clasificarse de acuerdo a lo que se indica en la tabla 1. Tabla 1. Sensibilidad de las estructuras SENSIBILIDAD TIPOS DE ESTRUCTURAS Baja o nula Muy Flexibles Media Marcos, estructuras estáticamente determinadas y edificios altos Alta Estructuras estáticamente indeterminadas, con grandes claros, edificios altos y torres, edificios con materiales de recubrimiento y muros de tabique o mampostería frágiles, con grandes claros y pocas juntas, edificios con equipo que requieren seguridad y estabilidad en su funcionamiento, ciertos tipos de cascarones y marcos continuos.
4. Datos para el estudio de una cimentación Para el estudio de una cimentación es necesario el conocimiento del proyecto y del subsuelo sobre el que se construirá la obra. La cantidad y detalle de los datos requeridos, de proyecto y subsuelo, dependerán del tipo e importancia del primero y de las características del segundo. Así, por ejemplo, los datos requeridos para el estudio de la cimentación de un edificio alto y pesado en un terreno compresible serán más abundantes que en caso de una estructura ligera en el mismo terreno; en cambio, la información necesaria del subsuelo, para la cimentación de ambos tipos de estructuras, puede reducirse substancialmente si el terreno de cimentación es roca sana. En este capítulo se hará referencia principalmente a la cimentación de estructuras de concreto y acero para edificios, puentes, etc. 4.1 Datos del proyecto Según el caso de que se trate, pueden ser necesarios todos o algunos de los siguientes datos: a) Localización, dimensiones y obras que constituyen al proyecto b) Tipo, forma, dimensiones, rigidez y sensitividad de la estructura c) Destino y condiciones de funcionamiento de la estructura
d) Tipo, distribución y magnitud de las descargas e) Datos topográficos f) Datos hidráulicos g) Otros datos, tales como el comportamiento de cimentaciones de estructuras localizadas en el lugar, comportamiento de cimentaciones vecinas, etc. 4.1.1 Sensibilidad de las estructuras En cuanto a su sensitividad pueden clasificarse de acuerdo con la tabla1. El grado de riesgo que puede tolerarse está relacionado con la sensibilidad de una estructura ante las variaciones o irregularidades del subsuelo. El grado de riesgo envuelto está relacionado con la aparente uniformidad u homogeneidad de los estratos que constituyen al subsuelo. La estructura de una nave industrial cubierta con lámina y formada por columnas en las que se apoyan armaduras metálicas con apoyos libres o articulados, puede soportar deformaciones altas sin dañarse. En cambio si la nave está cubierta por cascarones o tiene marcos de concreto, el riesgo de la estructura a dañarse es mayor ante los mismos asentamientos, siendo por lo tanto, menor el asentamiento tolerable. 4.1.2 Destino El destino o uso que vaya a darse a una estructura influye en la magnitud de los asentamientos tolerables, y por lo tanto, en las condiciones de cimentación. Si la estructura contendrá máquinas con mecanismos precisos que pueden dañarse u operar deficientemente ante la presencia de asentamientos diferenciales, las deformaciones que deben tolerarse serán menores que las de una estructura destinada a otro fin como habitacional. Referencias
1. Tezaghi, K., y Peck R., (1976), “Ingeniería de Cimentaciones”, Editorial Ateneo. 2. Salazar R. Javier, (1959), “Control de las cargas en la cimentación y de los asentamientos de Edificios mediante Mecanismos en los Pilotes”, Memorias del Primer Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos y Cimentaciones, pag. 405, México D.F, Sep. 1959. 3. Sociedad Mexicana De Mecánica de Suelos (2002), “Manual de pilas y pilotes” , 2ª. Edición. 4. Vietez l.., Soto E., y Mosqueda A., (1970),”El subsuelo y la Ingeniería de Cimentaciones en la Región de Minanitlán-Coatzacoalcos”, Ver., V Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, Cimentaciones en Areas Urbanas de México, Vol. 1, México, D.F., pp. 1-60.
