Debajo de los muros de contención y de otros tipos de estructuras sujetas a cargas laterales, la presión calculada en la base puede no ser uniforme, sino que varia linealmente de una arista inferior a la otra. El ancho de estas zapatas en arcilla debe determinarse como si toda la base estuviera sujeta a una presión promedio igual a la presión máxima.
sábado, 18 de junio de 2011
Procedimiento de diseño - Zapatas en Arcilla.
Si las zapatas que soportan una estructura están proyectadas con un factor de seguridad de 3, los asentamientos diferenciales por consolidación de la arcilla que las subyace, probablemente no excedan de 2 cm. siempre que las zapatas estén suficientemente separadas como para que el funcionamiento de cada una de ellas sea independiente de las demás y siempre que el suelo bajo ellas no sea una arcilla normalmente consolidada, blanda o muy blanda. Las cargas que se consideran al elegir los tamaños de las zapatas para proporcionar un factor de seguridad de 3, deben ser las que vayan a obrar la mayor parte del tiempo. No se incluirán los valores excepcionales de la carga viva, debidos a combinaciones improbables de carga, ni las cargas producidas por el viento, la nieve en climas templados, o las de los sismos. El factor de seguridad no debe ser menor que 2 bajo las condiciones más severas y combinaciones de carga probables. Por lo tanto, la presión máxima en el suelo en las condiciones más desfavorables de carga no debe exceder de 1.5 veces los valores de qa obtenidos con la ec. 18.4 y la fig. 18.3.
Como se dijo antes en este artículo, el valor de qu que debe usarse para obtener la presión admisible del suelo qe para una zapata dada, usando la ec. 18.4 y la fig. 18.3, debe representar el promedio para una profundidad B bajo el desplante. Sin embargo, los tamaños, formas y profundidades de las zapatas comúnmente varían considerablemente en una obra determinada. Además, los sondeos no se hacen ordinariamente en cada zapata. Por estas razones, y debido a las variaciones inherentes de la mayor parte de los depósitos naturales de arcilla, rara vez se justifica el uso de diferentes promedio de valores de qa para diferentes zapatas. La presión admisible se basa comúnmente en datos de los sondeos en que aparezcan las condiciones menos favorables. La determinación de su magnitud y la decisión de si debe variarse de unas zapatas a otras, o para las diferentes profundidades de desplante, dependerá del criterio del ingeniero especialista en cimentaciones.
Figura 18.4. Instalación para hacer una prueba de carga cn arcilla fisurada.
Las zapatas continuas que se construyen debajo de los muros exteriores de los sótanos están sujetas a cargas desequilibradas, incluyendo la presión lateral de la tierra (fig. 18.1 b). Si la diferencia γH de sobrecarga en los dos lados de la zapata no excede de O.5q, la carga desequilibrada puede despreciarse. De otra manera, la zapata y el muro del sótano deben proyectarse como muro de sostenimiento.
En muchos casos, excepto cuando se trata de arcillas firmes o duras, el efecto de cualquier zapata en un grupo, resulta afectado en forma importante por la presencia de las zapatas vecinas o de otras áreas cargadas. En este caso, el asentamiento diferencial de una cimentación de zapatas puede ser mucho mayor que 2 cm. En consecuencia, deberá hacerse una investigación de los asentamientos de toda la cimentación para completar la determinación de la presión admisible en el suelo para las zapatas individuales.
Presión admisible en el suelo - Zapatas en Arcilla.
Bajo la carga muerta más las cargas vivas máximas que pueden esperarse normalmente, el factor de seguridad contra falla por capacidad de carga debe ser del orden de 3. La presión admisible en el suelo qa puede, por lo tanto, tomarse como un tercio de la presión máxima neta (ec, 18.2)
La ec. 18.4 y los valores de N de la f’ig. 18.2 proporcionan la base de las curvas mostradas en la fig. 18.3. Para valores dados de la resistencia dci sucio y de Df/B, la presión neta admisible en el suelo qa para zapatas continuas puede obtenerse directamente de la gráfica. Para las zapatas rectangulares los valores de la gráfica se multiplican por (1 + 0.2B/L); por lo tanto, para las zapatas cuadradas o circulares el aumento es 20 por ciento. Pueden hacerse los ajustes adecuados a los valores del diagrama para factores de seguridad con otros valores diferentes a 3.
La relación del espesor de la sobrecarga al ancho de la zapata comúnmente es menor de 1. La fig. 18.3 revela que, bajo estas condiciones, la presión neta admisible es aproximadamente igual a la resistencia a la compresión simple de la arcilla.
Figura 18.3. Presión admisible neta para zapatas sobre arcilla y limo plástico. Determinada para un factor de seguridad de 3 contra falla por capacidad de carga (condiciones Ø=0) Los valores del diagrama son para zapatas continuas (B/L = 0); para zapatas rectangulares, multiplíquese los valores por 1 + 0.2 B/L; para zapatas cuadradas y circulares, multiplíquese los valores por 1.2.
Debido a las variaciones que ocurren normalmente, aun en los depósitos de arcilla relativamente uniformes, el valor de q en la ec. 18.4 o en la fig. 18.3, debe representar el promedio en una profundidad B abajo de la zapata. La resistencia a la compresión simple debe determinarse a intervalos de 15 cm en la dirección vertical. Puede estimarse la resistencia de algunas de las muestras, si el técnico es experimentado, pero deberá probarse cuando menos una de cada cinco. Si, por otra parte, la arcilla no es uniforme y existe un estrato blando situado dentro de una profundidad B, abajo de la base de la zapata, la resistencia del estrato blando determinará el factor de seguridad del elemento. En la fig. 21.2, se muestra esta condición y sus efectos importantes en el proyecto de las zapatas.
Si la resistencia del suelo disminuye con la profundidad, la seguridad de una zapata grande puede ser mucho menor que la de una pequeña. Además, bajo estas condiciones, sólo pueden usarse la ec. 18.4 y las curvas de la fig. 18.3 para elegir la carga de seguridad de una zapata individual, si la zapata está tan alejada de sus vecinas, que los esfuerzos en el subsuelo, ya no son influidos significativamente por dichas vecinas. Si en el subsuelo existen uno o más estratos blandos o una profundidad incluso mayor que B, debe hacerse un cálculo para determinar si la presión en la frontera superior de cualquiera de los estratos blandos excede del valor de seguridad para el estrato. Si lo hace, debe modificarse el proyecto.
Puede determinarse la presión en la frontera superior por medio del diagrama descrito anteriormente. Sin embargo, con frecuencia resulta más expedito y suficientemente preciso, suponer que la presión en la base de la zapata se distribuye uniformemente dentro de los confines de un prisma truncado, cuyos lados se inclinan hacia afuera de las aristas inferiores de la zapata con un talud de 2:1 (vertical:horizontal).
El modo de hacer una prueba de carga, depende de la separación de las grietas, el tamaño de la zapata, y el grado de uniformidad de la arcilla. Para tener la seguridad de que se incluye un número representativo de grietas, la placa de prueba (fig. 18.4) debe ser cuando menos de 60 x 60 cm, cuadrada. El efecto de la sobrecarga alrededor de la placa debe eliminarse. Por lo tanto, la prueba se efectúa en una fosa de un ancho cuando menos igual a tres veces el de la placa. La carga debe aplicar- se sn incrementos y debe observarse la deformación después de cada uno de ellos, hasta que su magnitud sea muy pequeña. La relación de la carga al asentamiento debe determinarse hasta el punto de falla o hasta que la carga aplicada sea el triple de la d diseño. Deberá hacerse una prueba de carga al nivel de la base de las zapatas, y suficientes pruebas adicionales a mayor profundidad para determinar e] valor promedio de la capacidad de carga dentro de la profundidad B. Si la arcilla se debilita consistentemente con la profundidad, la carga de seguridad debe basarse en los valores menores de la capacidad de carga. Si las variaciones son erráticas, puede usarse el valor promedio.
Zapatas en arcilla.
Capacidad de carga máxima. La fig. 18.l a representa la sección transversal de una zapata larga de ancho B, apoyada a una profundidad Df, abajo de la superficie del terreno, A la cantidad Df, se le llama profundidad de desplante. Su significado en una zapata con profundidades diferentes en los dos lados se muestra en la fig. 18.1 b. Se supone que el suelo que está debajo de la base de la zapata es arcilla intacta sin defectos estructurales, como superficies de deslizamiento o grietas y su grado de saturación es prácticamente la unidad.
Figura 18.1 a) Sección transversal de una zapata larga sobre arcilla, mostrando las bases para el calculo de la capacidad de carga maxima b) croquis para indicar Df en zapatas con sobrecarga de diferente profundidad a cada lado.
Si falla La zapata ilustrada en la fig. 18. La, debe desalojarse hacia arriba y a la izquierda, una cuña de suelo Ocbde, como se muestra en el lado izquierdo de la figura. El peso de 1a cuña y la resistencia al corte del suelo a lo largo de Ocbd tienden a resistir la falla. No existe una teoría completamente rigurosa para calcular la capacidad de carga máxima bajo estas circunstancias, pero se dispone de soluciones suficientemente aproximadas. Se supone, como se ilustra a la derecha de la fig. 18. la, que la influencia del sue1o arriba del nivel de la base de la zapata puede reemplazarse por una sobrecarga uniforme γDj. La teoría y la experimentación indican entonces, que la superficie de deslizamiento consta de una sección circular Oc’ y una sección recta c’b’, que forma un ángulo de 45° con la horizontal. Todas las fuerzas que actúan en la masa deslizante Oc’b’a’ se muestran en la figura. Puede utilizarse la condición de que estas fuerzas deben estar en equilibrio, para evaluar la capacidad de carga máxima qd’. Las fuerzas normales que obran en la superficie de deslizamiento no pueden producir resistencia al esfuerzo cortante por fricción, debido a la suposición de que Ø = O. Por otra parte, obra una resistencia al corte c (fig. 4.9) por unidad de área a lo largo de la superficie que se opone al deslizamiento. El resultado de la evaluación conduce a la expresión:
Figura 18.2 Factores de capacidad de carga para cimentaciones en arcilla bajo condiciones Ø = 0
Se define la capacidad de carga máxima neta qd, como la presión que puede aplicarse en la base de la zapata en exceso a la existente al mismo nivel, debida a la sobrecarga circundante; por lo tanto
Para hacer resaltar la diferencia entre qd y qd’ la ultima se conoce como capacidad de carga máxima global. En la ec. 18.2, N es un factor de capacidad de carga adimensional, que tiene, para una zapata larga y continua situada en la superficie del depósito de arcilla, el valor de 5.14 (Prandtl, 1920).
Para hacer resaltar la diferencia entre qd y qd’ la ultima se conoce como capacidad de carga máxima global. En la ec. 18.2, N es un factor de capacidad de carga adimensional, que tiene, para una zapata larga y continua situada en la superficie del depósito de arcilla, el valor de 5.14 (Prandtl, 1920).
En una zapata, el valor de Nc varía algo con la relación del ancho B a la longitud L, y con el espesor de la sobrecarga Df, como se indica en la fig. 18.2 (Skempton, 1951). Para cualquier valor dado de Df/B, la fig. 18.2, hace ver que el factor de capacidad de carga para zapatas circulares y cuadradas es aproximadamente 1.2 veces el correspondiente a una zapata larga continua. Puede utilizarse una interpolación lineal para las zapatas rectangulares que tengan valores intermedios de B/L.
Características importantes de los depósitos de arcilla y los de limo plástico - Cimentaciones.
Las arcillas pueden encontrarse en estados que varían de los correspondientes a las blandas normalmente consolidadas, a las duras preconsolidadas. Se han descrito sus características de consolidación y resistencia. Las arcillas preconsolidadas tienen frecuentemente defectos estructurales secundarios, como grietas y planos de resbalamiento, que influyen en su resistencia y compresibilidad, por lo que pueden requerir una investigación especial antes de proyectar.
La plasticidad de los limos puede deberse a un alto porcentaje de partículas en forma de lámina o a materia orgánica. Los mantos profundos de limo, que contienen frecuentemente más o menos materia orgánica, se encuentran en formaciones que son o fueron playas de octanos y lagos o lechos de ríos. Cuando estos depósitos se encuentran abajo del nivel del agua freática y nunca han estado expuestos a secado, es probable que sean tan blandos y compresibles como las arcillas normalmente consolidadas cerca del límite líquido. Por lo tanto, los limos plásticos tienen muchas de las características de las arcillas blandas y medias, y el proyecto de las cimentaciones en limo plástico se basa en consideraciones semejantes a las que gobiernan las estructuras en archa. Por esta razón, en este capítulo, la arcilla y el limo plástico se consideran cono sinónimos.
En varias circunstancias pueden usarse zapatas, losas, pilas, y pilotes para soportar estructuras en depósitos de arcilla y limo plástico. Para cada tipo de cimentación, se requieren investigaciones independientes para determinar el factor de seguridad contra una falla por capacidad de carga y la magnitud probable del asentamiento.
La capacidad de carga depende principalmente de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante. Cuando se aplica carga por primera vez a las zapatas en arcilla saturada, se produce un aumento en la presión de poro; si la permeabilidad de la arcilla es cuando menos regular, este aumento no se disipa rápidamente. Por lo tanto, cuando menos durante un corto tiempo después de la carga, prevalecen condiciones de resistencia no drenada, siendo aplicable el análisis en que Ø = O . Como resistencia puede tomarse la no drenada, o la mitad de la resistencia a la compresión simple. En el mismo grado que se produzca consolidación, están del lado de la seguridad los resultados de los análisis basados en la premisa de que Ø = O.
A menos que la arcilla sea muy sensible la resistencia no drenada, puede obtenerse económicamente y con suficiente precisión, realizando pruebas con muestras de 5 cm tomadas con muestreo continuo, con muestradores de tubo de pared delgada. Cuando sólo puede justificarse un gasto mínimo de exploración, puede estimarse la resistencia a la compresión simple en muestras obtenidas con el muestreador de media caña (Tabla 1.5), usando la correlación entre la resistencia y los valores N de la prueba de penetración estándar (Tabla 5.3). Sin embargo, la prueba de penetración estándar es, a lo sumo, un índice inseguro de la resistencia a la compresion simple de las arcillas, y es preferible hacer pruebas con muestras de tubo. Las pruebas in-situ por medio de veleta constituyen con frecuencia una alternativa mejor que el uso de muestreadores de pared delgada, tanto en lo económico como en lo técnico. Si la arcilla contiene defectos estructurales secundarios, puede ser necesario recurrir a las pruebas de carga.
El asentamiento depende principalmente de la compresibilidad de la arcilla, que está íntimamente relacionada a su historia de carga. La compresibilidad puede evaluarse con mayor seguridad por medio de las pruebas de consolidación en muestras inalteradas representativas con diámetro de 10 a 15 cm, pero el costo para obtener estas muestras algunas veces impide su uso. Pueden resultar satisfactorias muestras más pequeñas si se toman con las mejores técnicas. En algunos casos, puede estimarse la compresibilidad de las arcillas blandas, con suficiente precisión, con los Límites de Atterberg y la humedad natural, o mediante pruebas de consolidación en muestras completamente remoldeadas. Sin embargo, las estimaciones basadas en estos procedimientos, son inaplicables a las arcillas preconsolidadas o a las muy sensibles.
En los artículos que siguen, se estudian la capacidad de carga y la determinación de las cargas de seguridad para cada tipo de cimentación. Luego se describen los procedimientos generales para hacer predicciones sobre los asentamientos. Finalmente, se tratan la excavación y la estabilidad de taludes en arcilla y el movimiento lateral de las estructuras cimentadas en ese material.
Cargas de proyecto de cimentación.
La selección de las cargas en las que debe basarse el proyecto de una cimentación, influye no solamente en la economía, sino también, algunas veces, hasta en el tipo de cimentación. Además, las mismas condiciones del suelo tienen influencia en las cargas que deberían haberse considerado.
Cada unidad de cimentación debe ser capaz de soportar, con un margen de seguridad razonable, la carga máxima a la que vaya a quedar sujeta, aun cuando esta carga pueda actuar sólo brevemente o una
vez en la vida de la estructura. Si una sobre- carga o una mala interpretación de las condiciones del suelo hubieran de tener como consecuencia, simplemente un aumento excesivo de los asentamientos, pero no una falla catastrófica, pudiera justificarse un factor de seguridad más pequeño, que si dicha falla pudiera producirse.
Frecuentemente se especifican en los reglamentos de construcción las cargas máximas, las presiones correspondientes en el suelo y las cargas en los pilotes; estos requisitos son restricciones legales al proyecto que deben satisfacerse. Sin embargo, como no pueden considerarse todas las eventualidades, el ingeniero de cimentaciones debe asegura rse por si mismo que son seguras, aunque satisfagan el reglamento. Además, las cargas que se requieren para las investigaciones de seguridad o para satisfacer los requisitos legales pueden no ser adecuadas para asegurar el funcionamiento más satisfactorio de la estructura con respecto al asentamiento.
Por ejemplo, como las arenas se deforman rápidamente bajo el cambio de esfuerzo, los asentamientos de las zapatas en la arena acusan la carga real máxima a la que están sujetas. Puede ser que la carga viva real nunca se aproxime al valor prescrito en el reglamento de construcción, mientras que las cargas muertas reales y las calculadas, deben ser prácticamente iguales. Por lo tanto, una columna que en el reglamento de construcción tenga una relación grande de la carga viva a la muerta, probablemente se asiente menos que una que la tenga pequeña. Así, para determinar 1as dimensiones de las zapatas que se apoyan en arena de modo que sufran igual asentamiento, el ingeniero debe usar la estimación más realista posible de las cargas vivas máximas, en vez de unas infladas arbitrariamente.
Por otra parte, el asentamiento de una estructura apoyada en zapatas sobre una ardua saturada, virtualmente no es afectado por una corta aplicación de una carga relativamente grande a una o más zapatas, siempre que no se llegue a una falla por capacidad de carga. Debido a lo lento de la respuesta de la arcilla a las cargas aplicadas, el asentamiento debe estimarse sobre la base de la carga muerta, más la mejor estimación posible de la carga viva permanente, en vez de tomar en cuenta la carga viva máxima.
Más adelante se sugieren para las diferentes condiciones, las cargas y factores de seguridad adecuados. Sin embargo, en cada proyecto será necesario hacer una cuidadosa valoración de las condiciones peculiares del terreno y estructura de que se trate. Como regla general, debe aplicarse un factor de seguridad de 3 con las cargas especificadas en los reglamentos de construcción, si el subsuelo no es de tipo anormal y si sus propiedades se han investigado en forma correcta. El factor de seguridad, ordinariamente no debe ser menor de 2, aunque se conozcan las cargas máximas con un grado de precisión elevado y se conozcan excepcionalmente bien las condiciones de] suelo.
El asentamiento permisible depende del tipo de estructura y de su función. La carga transmitida al suelo en la base de una pila de puente puede deberse en su mayor parte, al peso muerto de la pila y el asentamiento correspondiente puede ser de varios centímetros. Si el asentamiento ocurre durante la construcción de la pila, no tiene importancia práctica. Si se produce durante un largo tiempo, puede no tener consecuencias, siempre que la superestructura sea de armaduras sencillas o vigas en voladizo; pero las consecuencias pueden ser serias, si la superestructura es una trabe o armadura continúa. Pocos edificios de concreto pueden soportar un asentamiento diferencial entre columnas adyacentes de más de 2 cm, sin mostrar algunos signos de daño.
Una estructura de acero puede soportar algo más y una mampostería de ladrillo puede soportar tres o cuatro veces esta cantidad sin daño serio. El asentamiento irregular o errático es más peligroso para una estructura de cualquier tipo, que el uniformemente distribuido.
Ya que en el costo de una cimentación influye mucho la magnitud de los asentamientos diferenciales que se consideran tolerables, el ingeniero no debe subestimar el asentamiento que su estructura puede soportar.
Las consideraciones anteriores se refieren a las cargas que influyen en el comportamiento del suelo o roca en que se apoya la cimentación. Además, el proyecto estructural de los elementos de las cimentaciones de concreto reforzado, como zapatas, cabezales para pilotes, o losas como actualmente se hacen, utilizando diseño plástico, requieren que se asignen factores de carga que consideren la naturaleza de la misma y la probabilidad de su ocurrencia.
Capacidad de carga y asentamiento de los cimientos.
Habiendo supuesto que resulta práctico construir un tipo de cimentación determinado, bajo las condiciones que prevalecen en el lugar, es necesario juzgar el probable funcionamiento de la cimentación con respecto a dos tipos de problemas. Por una parte, toda la cimentación, o cualquiera de sus elementos puede fallar porque el suelo o la roca sean incapaces de soportar la carga. Por otra parte, el suelo o roca de apoyo pueden no fallar, pero el asentamiento de la estructura puede ser tan grande o tan disparejo, que la estructura puede agrietar- se y dañarse. El mal comportamiento del primer tipo se relaciona con la resistencia del suelo o roca de apoyo y se llama falla por capacidad de carga. El del segundo tipo está asociado a las características de la relación de esfuerzo-deformación del suelo o roca, y se conoce como asentamiento perjudicial. En realidad, los dos tipos de mal comportamiento frecuentemente están tan íntimamente relacionados, que la distinción entre ellos es completamente arbitraria. Por ejemplo, una zapata en arena suelta se asienta más y más, fuera de proporción con el incremento de carga, incluso hasta el punto en que para incrementos muy pequeños se producen asentamientos intolerables; sin embargo, no se produce un hundimiento catastrófico de la zapata en el terreno. En otros casos, la distinción es clara; una zapata colocada sobre arcilla firme que tiene un subestrato de archa blanda, puede estar completamente a salvo contra falla en el terreno, pero el asentamiento debido a la consolidación de la ardua blanda puede ser excesivo. En muchos problemas prácticos pueden investigarse los dos tipos de mal comportamiento separadamente, como si fueran causas independientes. Esta separación simplifica mucho el en- foque del ingeniero.
En cada uno de los capítulos siguientes, se considera una de las principales clases de depósitos naturales. En cada clase se hace una lista de los diferentes tipos de cimentaciones, y se describen métodos para determinar la carga que puede transmitirse con seguridad al suelo por la cimentación sin que se produzcan asentamientos excesivos. Finalmente, se da para cada clase de depósito natural, un resumen de las dificultades deconstrucción que puedan tener alguna influencia en la funcionalidad de cada tipo de cimentación.
Etapas de la selección del tipo de cimentación.
El tipo de cimentación más adecuado para una estructura dada, depende de varios factores, como su función, las cargas que debe soportar, las condiciones del subsuelo y el costo de la cimentación comparado con el costo de la superestructura. Puede ser que sea necesario hacer Otras consideraciones, pero las anteriores son las principales.
Debido a las relaciones existentes entre estos varios factores, usualmente pueden obtenerse varias soluciones aceptables para cada problema de cimentación. Cuando diferentes ingenieros con su gran experiencia se ven ante una situación dada, pueden llegar a conclusiones algo diferentes. Por lo tanto, el criterio juega un papel muy importante en la ingeniería de cimentaciones, Es de dudar que alguna vez pueda elaborarse un procedimiento estrictamente científico para el proyecto de cimentaciones, aunque los progresos científicos hayan contribuido mucho al perfeccionamiento de la técnica.
Cuando un ingeniero experimentado comienza a estudiar una obra nueva, casi instintivamente desecha los tipos más inadecuados de cimentación y se concentra en los más prometedores. Cuando su elección se ha reducido a unas cuantas alternativas que se adaptan bien, a las condiciones del subsuelo y a la función de la estructura, estudia la economía relativa de estas selecciones, antes de tomar la decisión final.
Los ingenieros con menos experiencia pueden seguir un procedimiento semejante, sin peligro de cometer errores serios, si aprovechan los resultados de los estudios científicos y el trabajo experimental de otros. Sin embargo, para que sea útil esta información debe estar organizada lógicamente. En la parte C de este libro, se hace una relación de la experiencia con varios tipos de cimentaciones y condiciones del subsuelo, presentada de manera que el lector pueda familiarizarse con los procesos mentales usados por hombres que han tenido éxito en la práctica. Haciéndolo así, el lector puede usar técnicas semejantes y esperar llegar a soluciones razonables, excepto para los problemas de cimentación más complejos.
Al elegir el tipo de cimentación, el ingeniero debe dar los siguientes 5 pasos sucesivos:
1. Obtener cuando menos, información aproximada con respecto a la naturaleza de la superestructura y de las cargas que se van a transmitir a las cimentaciones.
2. Determinar las condiciones del subsuelo en forma general.
3. Considerar brevemente cada uno de los tipos acostumbrados de cimentación, para juzgar si pueden construirse en las condiciones prevalecientes; si serían capaces, de soportar las cargas necesarias, y si pudieran experimentar asentamientos perjudiciales. En esa etapa preliminar se eliminan los tipos evidentemente inadecuados.
4. Hacer estudios más detallados y aún anteproyectos de las alternativas más prometedoras. Para hacer estos estudios puede ser necesario tener información adicional con respecto a las cargas y condiciones del subsuelo, y generalmente, deberán extenderse lo suficiente para determinar el tamaño aproximado de las zapatas o pilas, o la longitud aproximada y número de pilotes necesarios. También puede ser necesario hacer estimaciones más refinadas de los asentamientos, para predecir el comportamiento de la estructura.
5. Preparar una estimación del costo de cada alternativa viable de cimentación, y elegir el tipo que represente la transacción más aceptable entre el funcionamiento y el costo.
En los pasos 3 y 4, se requiere el conocimiento del comportamiento probable de cada tipo de cimentación para cada tipo de condición del subsuelo.
Selección del tipo de cimentación y bases para el proyecto.
Como todas las estructuras están soportadas por cimentaciones y, finalmente por suelo o roca, el éxito de un proyecto estructural, depende en gran parte del ingeniero especialista en cimentaciones. Sin embargo, la planificación general, el proyecto y la construcción de la mayor parte de las obras requiere los esfuerzos combinados de varias disciplinas. De esta manera, el especialista en cimentaciones forma parte de un equipo de proyecto; encuentra que los tipos de cimentación y los métodos de construcción pueden ser transacciones que resultan de muchos requisitos, además de las condiciones del subsuelo.
En determinados trabajos, como en la construcción de muelles, presas y bordos, puede decirse que el ingeniero de cimentaciónes es el profesional principal. En otras obras, como la mayor parte de los edificios, es natural que el ingeniero estructural o el arquitecto scan los líderes del equipo y asuman muchas, si no todas, las responsabilidades del ingeniero especialista en cimentaciones. Sin embargo, la complejidad de las condiciones de la cimentación, no está necesariamente relacionada al tamaño de la obra. Por lo tanto, puede suceder que la demanda de pericia en la ingeniería de cimentaciones sea mayor en obras pequeñas que en otras más grandes.
Independientemente de cuál sea la jerarquía de las responsabilidades profesionales y de cuál pueda ser el tipo y tamaño de la obra, los procedimientos ingenieriles son los mismos para elegir el tipo mas adecuado de cimentación para ciertas condiciones de suelos, para elegir valores convenientes de la presión admisible en el suelo o para seleccionar las cargas admisibles por pilote. La parte C trata de estos procedimientos.
miércoles, 1 de junio de 2011
Influencia de los Métodos Constructivos en el Proyecto.
En los siguientes capítulos, se establecerán métodos para determinar la bondad de las diferentes clases de cimentaciones. En general, se considerará que una cimentación es satisfactoria, si no transmite presiones al subsuelo que exceden la carga de seguridad o que produzcan asentamientos excesivos. Sin embargo, algunos tipos de cimentaciones, que pudieran ser completamente aceptables desde estos dos puntos de vista, también pueden ser extremadamente difíciles o imposibles de ejecutar. Más aún, algunas instalaciones pueden originar asentamientos excesivos en las propiedades vecinas. Por lo tanto, la practicabilidad para construir cada tipo de cimentación en que pudiera pensarse es una cuestión importante. En muchos casos, es un factor decisivo para la elección final.
La elección del tipo de cimentación para una estructura dada puede ser influida también por la posibilidad de daño, debido a operaciones de construcción, realizadas en predios adyacentes en fecha posterior. Por ejemplo, una cimentación satisfactoria para un determinado edificio puede consistir en pilas que atraviesen arcilla blanda hasta un estrato de arcilla muy dura que descanse en arena compacta saturada, que a su vez está sobre a un manto de roca. Sin embargo, si se construye un nuevo edificio en la propiedad adyacente y se cimienta sobre pilas que se prolongan a través de la arcilla dura y la arena saturada hasta el manto de roca, existen muchas probabilidades de que la arena fluya entrando en la excavación para las nuevas pilas, y que el soporte para el estrato de arcilla dura debajo del primer edificio se pierda. Ante esta posibilidad, puede ser preferible apoyar el primer edificio en pilas que se prolonguen hasta la roca, aún a costa de mayor gasto. Por lo tanto, la posibilidad de daño debida a la futura construcción en la vecindad, puede ser un factor importante en la elección final del tipo de cimentación.
Observaciones para Mejorar la Técnica - Control Operaciones Construcción.
Las observaciones de los asentamientos, de los bufamientos, y de los movimientos laterales pueden servir para otro objeto vital, especialmente cuando se combinan con un registro cuidadoso de los detalles del procedimiento de construcción. Sirven como indicación de técnicas inadecuadas de excavación, apuntalamiento o hincado de pilotes. Si los asentamientos son consistentemente mayores que los que se han observado en conexión con obras semejantes, en condiciones de suelo parecidas, puede deducirse que el método de construcción no se está siguiendo en la forma más adecuada. Pueden probarse variaciones en la técnica y juzgarse sus méritos sobre la base de los cambios en las tendencias de los asentamientos.
Adoptando las técnicas q’!e conduzcan a reducciones en el asentamiento y desechando las que conduzcan a aumentos, puede reducirse el asentamiento a la mínima expresión compatible con el método de construcción.
En muchos casos, las medidas de las deflexiones de los miembros de un sistema de apuntalamiento, o la medida de las cargas en estos miembros, ha permitido hacer sustanciales reducciones en el costo de la construcción, y al mismo tiempo, reducir los asentamientos correspondientes. Por lo tanto, las observaciones sistemáticas de este tipo resultan casi siempre económicas. Tienen la ventaja adicional, que condiciones imprevistas que pudieran producir un desastre, con seguridad están precedidas por aumentos aparentemente inmotivados en las deflexiories o en la presión. Con un sistema de alarma adecuado, puede investigarse la causa de los aumentos y tomarse los remedios adecuados antes de que surjan las dificultades.
Importancia de las Observaciones de Campo para el Control de las Operaciones de Construcción.
Importancia legal de las observaciones. En el pasado frecuentemente se ignoró lo inevitable de cierta cantidad de asentamiento o bufamiento inherente a las operaciones de construcción. Los contratistas e ingenieros consideraban poco prudente admitir la influencia de sus operaciones en las estructuras vecinas. Se han escrito numerosas especificaciones en las que se estipula que las excavaciones deben efectuar- se de manera que no ocurran asentamientos en los suelos vecinos. Si no se recibían quejas de los propietarios de las propiedades vecinas, generalmente se suponía que se había cumplido con estas recomendaciones. Por otra parte, si hay reclamaciones, el tema se presta a grandes diferencias de opinión, con respecto a la magnitud del asentamiento y del daño debido a él.
Más recientemente, se ha hecho costumbre que el ingeniero responsable de una construcción, el contratista, o ambos, fijen puntos de referencia, no solamente dentro de los limites de su propiedad, sino también en estructuras pertenecientes a vecinos. Las observaciones que se hagan en estos puntos de referencia frecuentemente son suficientes para indicar la tendencia de los movimientos. En igual forma, los propietarios vecinos, comúnmente emplean ingenieros independientes para que observen los movimientos de sus estructuras. Si ocurre daño, los hechos del caso pueden determinarse fácilmente y generalmente puede llegarse a un arreglo justo sin costosos litigios.
Desplazamientos Debidos al Hincado de Pilotes.
Cuando se hincan pilotes en materiales sueltos sin cohesión, es probable que la superficie del terreno se asiente, aun cuando el volumen de los pilotes pueda representar una fracción apreciable del volumen del subsuelo. En la mayor parte de los otros materiales, el hincado de un pilote probablemente se asocie al desalojamiento de un volumen de material igual, o algo menor que el del pilote. Cuando se hincan muchos pilotes en una cimentación, especialmente si su separación es pequeña, la superficie del terreno puede levantarse hasta varios decímetros. El levantamiento puede extenderse a distancia considerable de las fronteras del grupo de pilotes. Las estructuras situadas dentro de esta distancia se desalojan hacia arriba.
En algunos casos, especialmente si los suelos son limosos, los elevados esfuerzos que se producen en la masa del suelo debido a la introducción de los pilotes, producen una intensa y rápida consolidación, en la que el levantamiento, es seguido por asentamiento al cabo de unos cuantos días. En materiales menos permeables como las arcillas, es probable que una porción considerable del levantamiento sea permanente.
El desplazamiento asociado al hincado de los pilotes se acompaña también de movimientos laterales. Las estructuras localizadas cerca de los pilotes se desalojan. En algunos casos, el desplazamiento puede ser muy importante. Por ejemplo, puede hincarse un gran número de pilotes detrás de un malecón cercano a un río con cauce relativamente profundo. La resistencia de un malecón a moverse hacia afuera, usualmente es pequeña. La mayor parte del desalojamiento debido al hincado de los pilotes, se reflejará en movimientos laterales del malecón. La mayor parte de los desalojamientos debidos al hincado de los pilotes estará representada por movimientos laterales en el malecón. La invasión de las estructuras en los cauces de los ríos, ocasionada por esta razón, en muchos casos, llega a ser de 30 cm o más.
Efecto del abatimiento del nivel freático en estratos de arcilla.
El abatimiento del nivel freático dentro o arriba de un estrato de arcilla, aumenta en última instancia la presión intergranular igual que en la arena. Además, debido, a la elevada compresibilidad de la arcilla y de vanos suelos orgánicos, los asentamientos originados pueden ser demasiado grandes. Sin embargo, el
proceso de consolidación iniciado al descender el nivel freático, puede requerir considerable tiempo para que se produzca todo el asentamiento4 El tiempo depende principalmente de la permeabilidad del material. El asentamiento de la turba y del limo orgánico puede ocurrir muy rápidamente, llegando a ser de varios decímetros. El asentamiento en las arcillas más impermeables puede no ser excesivo durante el relativamente corto periodo de construcción. La rapidez del asentamiento y su magnitud pueden estimarse.
Si los mantos compresibles están sobre una capa de arena en la cual se haya hecho descender el nivel freático, los niveles piezométricos pueden disminuir hasta una distancia muy grande de la excavación. Los asentamientos correspondientes a los materiales superiores se pueden extender lejos del lugar de la construcción y ser la causa de defectos estructurales importantes. Durante la construcción de un grupo de esclusas en Holanda, haciendo descender el nivel freático 6.40 m en un suelo que consistía en 6.10 m de arcilla y turba sobre arena, se produjeron asentamientos no tables hasta a 760 m. Aun a una distancia de 40 m, el asentamiento era de 61 cm. (Brinkhorst, 1936).
Efecto del abatimiento de nivel freático en arenas.
Un sólo aumento de la presión efectiva en una masa de arena no produce ordinariamente asentamientos de significación, porque aún la arena suelta es relativamente incompresible. Sólo si la arena está extremadamente suelta, de manera que su estructura pueda sufrir un colapso, existe la posibilidad de un asentamiento importante. Por otra parte, las fluctuaciones del nivel freático pueden producir por último, grandes asentamientos, debido a que la deformación de la arena aumenta perceptiblemente con cada aplicación de carga, como se indicó en la fig. 4.13. Durante las operaciones normales de construcción, el nivel freático baja usualmente solo una o dos veces y el efecto acumulativo no es importante.
En algunos casos, han ocurrido grandes asentamientos cerca de excavaciones drenadas en arena, debido a que se ha permitido la formación de manantiales en o cerca del fondo de la excavación. El agua, al formar manantiales puede acarrear al material dentro de la excavación grano a grano, pudiéndose formar un túnel debajo de algún estrato ligeramente cohesivo. Cuando el túnel se hace suficientemente grande, puede sufrir un colapso su techo, y la superficie del terreno que queda arriba de él se asienta. El asentamiento puede tomar la forma de un sumidero, situado a considerable distancia del borde de la excavación.
Asentamientos Debidos al Abatimiento del Agua Freática.
Causa del asentamiento, Siempre que se hace descender el nivel freático, el peso efectivo del material entre la posición original y final de dicho nivel, aumenta del valor correspondiente al suelo sumergido al del suelo húmedo o saturado. Esto causa el aumento correspondiente de presión efectiva en todos los niveles abajo de la posición
original del nivel freático, y produce deformaciones, de acuerdo con la relación esfuerzo-deformación, para el material en cuestión. Los desalojamientos originados producen un asentamiento de la superficie del terreno que es aproximadamente proporcional al descenso del nivel freático.
Asentamientos debidos a las Vibraciones - Terreno.
Las vibraciones tienen relativamente poco efecto en los suelos cohesivos, pero pueden aumentar mucho la compacidad relativa de los materiales sin cohesión. La humedad contenida en muchas arenas arriba del nivel freático, proporciona suficiente cohesión para retardar o impedir la modificación de la estructura de los granos. Sin embargo, las arenas relativamente secas y las que quedan abajo del nivel de las aguas freáticas son fácilmente compactables. Cualesquiera operaciones que produzcan vibraciones en tales materiales ocasionarian asentamientos apreciables en la superficie del terreno.
Las principales fuentes de vibración en las operaciones de construcción son el hincado de pilotes y las voladuras. Como am bas operaciones se han usado con el objeto de compactar arenas sueltas, es evidente que ambas pueden producir asentamientos en conexión con las actividades de construcción.
En un caso, se hincaron 100 pilotes a una profundidad de 15 m en un depósito de arena y grava sueltas. El asentamiento de la superficie del terreno dentro del área ocupada por los pilotes fue de 15 cm y disminuyó a 3 mm a una distancia de 15 m. (Cummings, 1949). Si el hincado de pilotes es esas arenas puede dañar estructuras adyacentes, puede ser necesario recurrir a otro tipo de construcción.
Excavación en depósitos estratificados.
En algunas localidades, depósitos de ardua o de otros materiales impermeables están subyacidos por limos, arenas o gravas permeables. La excavación en pozos abiertos puede efectuarse sin dificultad a través de los suelos impermeables. Sin embargo, silos huecos en los materiales subyacentes están ocupados por agua o gas a presión, los materiales tenderán a romperse, penetrando en el pozo e inundarán cuando menos su parte inferior.
En este proceso, los estratos de arcilla pueden socavarse debido a la remoción de la arena subyacente. Esto puede producir asentamientos aun a distancia considerable del punto en el que se haga la excavación.
Excavaciones en Arcilla.
Cuando se efectúan grandes excavaciones en arcilla blanda, el peso del suelo vecino a sus bordes actúa como sobrecarga sobre el suelo situado al nivel del fondo de las mismas y se de- sai-rollan fuerzas laterales en el subsuelo. Si la profundidad llega a ser tan grande que se alcance la capacidad de carga del suelo correspondiente al fondo, son inevitables grandes movimientos, sin que importe el cuidado con que se hayan apuntalado los frentes del corte.
Si a poca profundidad bajo el fondo de la excavación existe un estrato firme, se reduce mucho la tendencia a la falla por falta de capacidad de carga. Los movimientos también pueden disminuirse hincando pilotes alrededor del contorno de la excavación, hasta que estén firmemente encajados en el estrato firme inferior. Estos pilotes se apuntalan conforme avanza la excavación.
Mediciones de campo han demostrado que el volumen de arcilla blanda que se mueve hacia dentro en los bordes de un corte, más el que se mueve hacia arriba en el fondo, equivale al volumen de asentamiento alrededor de la excavación. Por lo tanto, cualesquiera medidas que puedan tomarse para evitar movimientos laterales o bufamientos se reflejarán en una disminución de los asentamientos. Por ello, es aconsejable mantener apuntalamientos bien apoyados todo el tiempo, e insertar puntales tan pronto como sea posible al avanzar la excavación.
La excavación de pilas o el hincado de cajones en arcilla está asociada de la misma manera a pérdidas de suelo. El material bajo el fondo de la excavación en cualquier etapa sube hacia la misma. Si los costados permanecen sin apoyo, aun por corto tiempo, también pueden producirse movimientos laterales. Estos movimientos pueden no producir asentamientos apreciables alrededor de una sola perforación, pero el asentamiento acumulativo, debido a la excavación de muchas en un área pequeña puede ser de varios centímetros o decímetros.
Los asentamientos inevitables pueden reducirse eligiendo procedimientos de construcción que ocasionen menores pérdidas de suelo. En estos se incluyen el uso de tablestacas o de forros cilíndricos que eliminan las caras verticales expuestas. Si los movimientos son todavía demasiado grandes, la perforación puede llenarse con un líquido pesado y efectuarse la excavación por medio de un taladro mecánico o una broca rotatoria.
Excavación en Arena.
La arena que se encuentra arriba del nivel freático comúnmente está húmeda y posee suficiente cohesión para facilitar la excavación. En los cortes grandes correctamente apuntalados, el asentamiento de la superficie del terreno colindante, usualmente no excede de 0.5 por ciento de la profundidad del corte y la influencia del asentamiento no se extiende lateralmente a una distancia mayor que dicha profundidad.
Cuando se hacen grandes cortes en arena, abajo del nivel freático, es aconsejable abatirlo antes de la construcción. Después es posible proceder a la excavación, sin que se produzcan más asentamientos que los correspondientes a la misma excavación hecha en arena húmeda. Sin embargo, el proceso de abatir el nivel freático puede por sí mismo producir asentamientos en ciertas condiciones. Esto se recalcará más adelante.
Frecuentemente, se desplantan pilas en arena situada abajo del nivel freático, hincando un cajón, dragando el material desde su interior. Si el nivel del agua dentro del cajón se abate por abajo de la subpresión actuante al nivel de las cuchillas, es posible que la arena penetre al cajón. El volumen de arena extraído puede ser varias veces el del cajón. Este procedimiento puede dar por resultado asentamientos en la vecindad de la excavación. En muchos casos esto puede evitarse manteniendo el nivel del agua dentro del cajón más alto que el del exterior. Si no resulta práctica la extracción de la arena con dragas, puede ser necesario equilibrar la presión del agua por medio de un lodo de arcilla o de aire comprimido para evitar que la arena entre.
Daños Producidos por las Operaciones de Construccion - Asentamientos debidos a las excavaciones.
Introducción. Todo proceso de excavación está asociado a un cambio del estado de esfuerzo en el suelo. Este cambio está inevitablemente acompañado por deformaciones. Estas comúnmente toman la forma de hundimiento del área que rodea la excavación, de movimiento hacia adentro del suelo situado en los bordes y de bufamiento del suelo localizado abajo del fondo. Las estructuras apoyadas en cimentaciones que descansan sobre el material que se deforma, experimentan los movimientos correspondientes. Comúnmente se asientan y se mueven hacia la excavación.
Como no puede hacerse ninguna excavación sin alterar el estado de esfuerzo en cierto grado, puede considerarse como inevitable el que se produzcan algunos movimientos de las estructuras vecinas. Sin embargo, a los movimientos inevitables asociados a un tipo de construcción determinado, pueden añadirse otros debidos a la mala técnica de construcción. Si el apuntalamiento de los frentes de La excavación se hace descuidadamente, por ejemplo, pueden ocurrir grandes desplazamientos. La porción del movimiento asociada a las malas técnicas debe considerarse como innecesaria y por lo tanto, debe evitarse.
Métodos de construcción distintos traen consigo montos también distintos de movimiento inevitable. En algunos casos, no puede usarse un4 procedimiento dado, debido al daño demasiado grande que indiscutiblemente se haría a las estructuras vecinas, aun cuando la técnica fuera excelente. Por lo tanto, el ingeniero deberá estar prevenido de las consecuencias que arranca el uso de diferentes procedimientos de construcción y deberá tener el cuidado de no especificar métodos de excavación y de apuntalamiento que no puedan efectuarse sin causar daño a las propiedades adyacentes.
Para evitar este peligro, el ingeniero necesita estar familiarizado con los diferentes procedimientos de excavación y de apuntalamiento de los frentes de las excavaciones. En un trabajo dado, deberá utilizar las observaciones que sean necesarias para determinar si los movimientos son mayores que los que deben considerarse como inevitables, y para determinar la mejor forma de reducir cualesquiera movimientos que puedan evitarse.
Recimentación - Construcción de nuevas cimentaciones permanentes-
En algunos casos, es necesario reemplazar o reforzar la cimentación de una estructura existente. A la operación de construir nuevas cimentaciones permanentes se le llama recimentación. La recimentación es una técnica que practican especialistas, pero un cierto grado de conocimiento y familiarización con los métodos de recimentación y sus procedimientos. es una parte esencial del conocimiento de todo ingeniero especialista en cimentaciones. Una de las formas más sencillas de recimentación consiste en reemplazar la zapata de un muro, por otra a mayor profundidad. Los muros de mampostería o de concreto pueden soportar temporalmente huecos en su cimentación. Por lo tanto, es posible construir un foso a un lado del muro a una profundidad correspondiente a la base de la nueva cimentación, excavar debajo de las zapatas antiguas una longitud de 1 a 2 m, y construir un corto tramo de la nueva zapata en este espacio. Después de completar este tramo, puede hacerse otra sección adyacente.
Si el muro es incapaz de soportarse por si mismo, pueden hacerse agujeros atravesando el muro, e insertar vigas horizon tales como se muestra en la fig. 15.1b. Estos apoyos, conocidos como traviesas, descansan en ambos extremos en zapatas y gatos. Así, la traviesa es una forma de puntal. Mientras el muro está apoyado en la viga, puede construirse su nueva cimentación. De la misma manera, estas vigas pueden usarse para soportar columnas que se estén recimentando.
En muchos casos, las cimentaciones de las estructuras construidas han resultado inadecuadas y ha sido necesario darles un nuevo apoyo a una profundidad mucho mayor que la de las zapatas originales. El apoyo consiste usualmente en pilas excavadas a mano o en pilotes. Pueden hincarse con gatos vigas H o tubos de acero en el terreno en tramos cortos contra la reacción del peso de la zapata.
La transferencia de la carga de los puntales o de los apoyos existentes a las nuevas cimentaciones, produce inevitablemente una deformación o asentamiento en la nueva cimentación. Este asentamiento puede agrietar la estructura. Puede reducirse o eliminarse el asentamiento, preesforzando la nueva cimentación, usualmente mediante gatos colocados contra la reacción de la estructura construida. Cuando la carga está todavía en los gatos, se insertan cuñas para mantener las unidades sujetas a esfuerzo. Se quitan luego los gatos, y el espacio que ocupaban se llena con concreto.
Los métodos de recimentación son frecuentemente elaborados y bastante caros. La posibilidad de que una estructura tenga que ser recimentada como resultado de construcciones adyacentes, con frecuencia conduce inicialmente al uso de cimentaciones profundas para una estructura que podría soportarse adecuadamente a un nivel superior si no fuera a sufrir alteraciones.
Apuntalamiento - Métodos de Apuntalamiento.
Cuando se realizan excavaciones abajo del nivel de la cimentación de estructuras adyacentes, usualmente es necesario soportarlas temporalmente. La instalación de apoyos temporales se llama apuntalamiento.
En uno de los métodos de apuntalamiento, se labran en las paredes de los edificios vecinos, ranuras en las que se insertan postes inclinados para soportar el peso de la parte del muro que queda arriba de los apoyos, (fig. 15.1a). Las bases de todos los postes deben apoyarse sobre plataformas, semejantes a las usadas en los codales (fig. 8.1). Este método es adecuado solamente para estructuras sin importancia.
Se obtiene un mejor apoyo, cortando los muros o columnas en sus bases e insertando gatos entre las cimentaciones y los muros o columnas que soportan. Al progresar la excavación y producirse asentamientos en el suelo circundante, pueden ajustarse los gatos para mantener los muros o columnas a su nivel original.
Figura 15.1 Métodos de Apuntalamiento a) Con ranura en la pared b) Viga Atravesada.
Estribos - Soporte Puentes.
Un estribo sirve para dos funciones principales. Soporta el extremo de un tramo de puente y proporciona cuando menos algo de soporte lateral para el suelo o la roca en que descansa la calzada inmediatamente adyacente al puente. Por lo tanto, un estribo combina las funciones de pila de subestructura y de muro de contención.
Uno de los tipos más comunes de estribo se muestra en la fig. 14.3a. Consta de una pila central soportando el apoyo del puente y de dos aleros para retener el terraplén. Los tres elementos descansan en una sola zapata. Si los aleros están en ángulo recto con la pila, la estructura se llama estribo en U (fig. 14.3b). Algunas veces los aleros de un estribo en ti se unen entre sí para reducir su tendencia a volcarse.
Figura 14.3 Tipos de estribos a) Estribo típico de gravedad con aleros b) Estribo en U. c) Estribo sin muro ni aleros d) Estribo de caballete con aleros cortos en cabezal.
El estribo sin aleros o estribo abierto (fig. 14.3c) también se usa mucho. Consta de dos o más columnas verticales con un cabezal que soporta los apoyos del puente. El terraplén se extiende con su talud natural desde el lecho inferior del cabezal a través de las aberturas entre las columnas. En su forma más evolucionada, un estribo sin aleros no es más que una fila de pilotes hincados a través de un terraplén soportando el apoyo del puente, (fig. 14.3d). El apoyo del puente está provisto usualmente de aleros pequeños para mantener las zapatas de los apoyos libres de tierra. Otra variante común es una simple pila con pequeños aleros cerca de su extremo superior. El terraplén en este caso se derrama alrededor del estribo.
Muros de Contención.
Los muros de contención son estructuras que proporcionan soporte lateral a una masa de suelo y deben su estabilidad principalmente a su propio peso y al peso del suelo que esté situado directamente arriba de su base. Los muros de contención constituyen partes propias de muchas cimentaciones y su proyecto es una de las funciones del ingeniero especialista en cimentaciones.
Figura 14.1. Pilas de subestructura típica para puentes de ferrocarril y de carretera a) Pila llena b) y c) De dos Cuerpos d) En forma de T
Antes de 1900, los muros se construían de mampostería de piedra. Desde esa época, el concreto con y sin refuerzo, ha sido el material dominante. Los tipos mas comunes en uso son el de gravedad, el de semigravedad, el voladizo, el de contrafuertes y los muros criba.
El muro de gravedad, (fig. 14.2a), depende para su estabilidad completamente del peso de la mampostería o concreto y del suelo que se apoye en ellos. Sólo llevan refuerzo los muros de concreto, en los que se coloca una cantidad nominal de acero cerca de los paramentos expuestos para evitar el agrietamiento con los cambios de temperatura.
El muro desemigravedad, (fig. 14.2b), es algo más esbelto que el de gravedad y requiere refuerzo, consistente en varillas verticales colocadas a lo largo del paramento interior y otras que se continúan dentro de las zapatas. También lleva acero para temperatura cerca del paramento expuesto.
El muro en voladizo, (fig. 14.2c) es un tablero y una base formada por una losa de concreto; ambos son relativamente delgados y están completamente reforzados para resistir los momentos y fuerzas cortantes a que están sujetos.
El muro de contrafuertes, (fig. 14.2d), consiste en una delgada losa exterior, usualmente vertical, apoyada a intervalos en la cara interior, en losas verticales o contrafuertes que cortan en ángulo recto la losa exterior. Tanto la losa exterior como los contrafuertes están conectados a la losa de la base y el espacio que queda arriba de la base y entre los contrafuertes se rellena de suelo. Todas las losas están completamente reforzadas.
Los cuatro tipos anteriores se conocen como muros monolíticos, en contraste con los muros de criba (fig. 14.2e), que están formados por unidades estructurales individuales, unidas en el lugar formando una serie de cajas huecas, conocidas como cribas. Estas se llenan de suelo y su estabilidad depende no solamente del peso de las unidades y su relleno, sino también de la resistencia del suelo usado para el mismo. Las unidades mismas pueden estar construidas de concreto reforzado, metal estructural, o madera.
Figura 14.2 Tipos de muros de contención a) Sección de gravedad b) De semigravedad. C) El voladizo d) de contrafuertes d) De criba.
De los tipos monolíticos, los que se construyen más comúnmente en la actualidad, son el de voladizo y el de semigravedad. Los de voladizo, generalmente tienen la ventaja del bajo costo inicial y se usan mucho en conexión con edificios y caminos. Sin embargo, debido al espesor relativamente pequeno de las secciones de concreto, son vulnerables a los efectos de la congelación y deshielo, a la expansión y a la contracción, y al deterioro del concreto. Por lo tanto, cuando lo más importante son la permanencia y los bajos costos de mantenimiento, como en las estructuras para el ferrocarril, se consideran preferibles los muros de semigravedad que son más gruesos.
Se supone que todos los muros deben soportar la presión de la tierra que contienen, pero usualmente no están proyectados para resistir la presión del agua, además de la presión de la tierra. Por lo tanto, los muros de contención bien proyectados están provistos de sistemas para drenar el agua, que de otra manera se acumularía en el relleno. Los drenes consisten comúnmente en tubos conocidos como barbacanas, (fig. 14.2a), tienen un diámetro de 15 6 20 cm, se extienden a través del muro y están protegidos contra la obstrucción en el relleno por capas de grava. Los drenes deben separarse aproximadamente 3 m, tanto horizontal como verticalmente; en los muros de contrafuertes debe haber cuando menos un dren en cada uno de los espacios entre contrafuertes.
Las barbacanas no son muy eficientes para drenar los rellenos semi-permeables. A menos que las capas de grava satisfagan los requisitos de un filtro (art. 2.5), es probable que se obstruyan. En invierno pueden taparse las salidas con hielo. Por estas razones, se considera preferible, un dren continuo de respaldo, (fig. 14.2c), cuando las condiciones materiales del lugar permiten su uso. El dren consiste en un tubo perforado de diámetro no menor de 15 cm.
El tubo, que debe estar rodeado por un filtro, usualmente termina en una zanja que debe ser accesible para su limpieza.
El material usado como relleno tiene una influencia importante en las fuerzas que actúan contra el paramento interior de un muro de contención. Se considera que las arenas limpias y las gravas son superiores a los otros suelos porque drenan fácilmente, no son susceptibles al efecto de la helada y no pierden estabilidad con el paso del tiempo. Las arenas limosas, los limos, o los suelos granulares con un pequeño porcentaje de arcilla son menos convenientes, porque no pueden drenarse fácilmente, es probable que los afecte la helada y pueden experimentar una disminución de su resistencia al esfuerzo cortante cuando aumenta su contenido de agua. Las arcillas son malas como relleno porque se drenan con dificultad, sufren con las estaciones cambios alternativos de expansión y contracción, y pueden perder gran parte de su resistencia cuando acumulan humedad. Si las grietas de contracción en un relleno de arcilla se llenan con agua de lluvia, el muro puede quedar sujeto a toda la presión hidrostática, as como también a la presión de la tierra, aunque se hayan instalado drenes. Siempre que sea posible, se considera una buena técnica insertar una cuña de material que drene con facilidad entre el muro y el relleno de arcilla, como se muestra en la fig. 14.2a.
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