Pilotes de Madera.

Desde el imperio romano quedó bien establecido el uso de troncos de árboles como pilotes; los detalles de las cimentaciones piloteadas fueron descritos por Vitruvio en el año 58 D.C. Probablemente, los pilotes de madera son el tipo que más se usa en todo el mundo. Bajo muchas circunstancias, proporcionan cimentaciones seguras y económicas. Su longitud está limitada por la altura de los árboles disponibles; son comunes los pilotes de longitudes de 12 a 18 m, en tanto que longitudes mayores no pueden obtenerse económicamente en todas las regiones. 

Los pilotes de madera no pueden soportar los esfuerzos debidos a un fuerte hincado, en ocasiones necesario para penetrar mantos muy resistentes. Pueden reducirse los daños a las puntas usando regatones de acero, pero, para un tipo dado de martinete, el peligro de romper los pilotes puede reducirse mucho únicamente limitando el esfuerzo inducido en la cabeza del pilote y el número de golpes del martillo. Los pilotes de madera no pueden hincarse en suelos de elevada resistencia sin sufrir daño; por lo tanto, rara vez se usan para cargas mayores de 30 toneladas; en muchas localidades la carga de trabajo está restringida a 25 toneladas o menos.

Aunque los pilotes de madera pueden durar indefinidamente cuando están rodeados permanentemente por un suelo saturado, están sujetos a pudrirse arriba de la zona de saturación. En algunas localidades, pueden dañarse o destruirse por insectos como las termitas. La vida de los pilotes de madera, arriba del nivel del agua puede aumentarse mucho tratándolos a presión con creosota. La duración efectiva con este tratamiento todavía no se ha determinado bien, pero se sabe que excede a los 40 años.

Los pilotes de madera en aguas estancadas o saladas también están sujetos al ataque por varios organismos marinos como el teredo y la limnoria. El deterioro puede ser completo en unos cuantos años o, en condiciones extremadamente desfavorables, en unos cuantos meses. El tratamiento químico no parece ser muy efectivo. Por lo tanto, los pilotes de madera no deben usar- se donde queden expuestos a aguas saladas abiertas, a menos que se compruebe mediante investigaciones completas, que no existen organismos destructivos.

Tipos de pilotes y su Clasificación.

Clasificación. Los pilotes se construyen en una gran variedad de tamaños, formas, y materiales para adaptarse a muchos requisitos especiales, incluyendo la competencia económica. Aunque su variedad desafía las clasificaciones sencillas, pueden estudiarse desde el punto de vista de los principales materiales de que están hechos. Que incluyen la madera, el concreto, y el acero.

-Pilotes de Madera.

-Pilotes de Concreto.

-Pilotes de Acero.

-Pilotes Compuestos.

Función de los Pilotes.

Cuando el suelo situado al nivel en que se desplantaría normalmente una zapata o una losa de cimentación, es demasiado débil o compresible para proporcionar un soporte adecuado, las cargas se transmiten a material más adecuado a mayor profundidad por medio de pilotes o pilas. La diferencia entre estos elementos es algo arbitraria. Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal pequeña, comparada con su longitud, y usualmente se instalan utilizando una piloteadora que tiene un martinete o un vibrador. A menudo se hincan en grupos o en filas, conteniendo cada uno suficientes pilotes para soportar la carga de una sola columna o muro. Las pilas, por otra parte, tienen usualmente una sección transversal mayor, siendo cada una de ellas capaz de transmitir toda la carga de una sola columna al estrato de apoyo.

Las columnas con poca carga pueden, en algunos casos, necesitar un solo pilote. Sin embargo, ya que en las condiciones del trabajo de campo, la posición real de un pilote puede quedar a varios centímetros de la posición proyectada, difícilmente pueden evitarse las cargas excéntricas. En consecuencia, las cabezas de los pilotes aislados

usualmente se arriostran en dos direcciones por medio de contratrabes (fig. 12.1a). Si sólo se necesitan dos pilas, las cabezas se unen con un cabezal de concreto, siendo arriostradas solamente en una dirección, perpendicular a la línea que une los dos pilotes (fig. 12.1 b). Los grupos que contienen tres o más pilotes están provistos de cabezales de concreto reforzado, como se muestra en la fig. 12.1 c, y se consideran estables sin apoyarlos con contratrabes.

También pueden usarse pilotes verticales para resistir cargas laterales; por ejemplo, debajo de una alta chimenea sujeta al viento. Comparada con la capacidad axial, la capacidad lateral es usualmente pequeña. 


Cuando es necesario soportar grandes cargas laterales, pueden usarse pilotes inclinados (fig. 12.1 d). Las inclinaciones de 1 horizontal a 3 vertical representan aproximadamente la mayor inclinación que puede obtenerse con el equipo ordinario para hincado. La economía favorece usualmente las menores inclinaciones, aunque tenga que usarse un mayor número de pilotes.

 

Figura 12.1. a) Pilote individual soportado por contratrabcs en dos direcciones. b) Grupo de dos pilotes apoyado en contrairahes en la dirección débil. c) Cabezal sin apoyo lateral para un grupo de tres pilotes. d) Uso de pilotes inclinados para muros de contención.

Determinación de las Dimensiones y Detalles de los Elementos de la Cimentación.

El piso de la estructura ilustrado en la fig. 11. 1, está situado aproximadamente a 1.50 m arriba de la rasante que rodea el edificio. La diferencia de altura se obtiene por medio de un terraplén compactado, que soporta no solamente el piso, sino también las zapatas interiores. La parte inferior del muro exterior de la estructura sirve para contener esta porción del relleno. Si se ha eliminado la posibilidad de que ocurran asentamientos, todos estos elementos estructurales pueden construirse con dimensiones en las que no se tomen en cuenta dichos asentamientos.

El piso de la planta baja de una estructura como ésta consiste invariablemente en una losa de concreto (fig. 11.1). En bodegas o edificios industriales, el piso puede estar sujeto a cargas distribuidas muy pesadas y a cargas concentradas de las ruedas de las carretillas elevadoras. Por otra parte1 si la estructura tiene solamente un piso, las zapatas soportan columnas sujetas a poco más que el peso del techo y posiblemente, a cargas ocasionales de nieve. Así, el piso puede considerarse como el elemento de carga principal. Las zapatas pueden desplantarse en excavaciones de poca profundidad de manera que las caras superiores de las zapatas formen parte del piso, como se muestra en la fig. 11 .4a. Como akernativa, la losa del piso puede colarse directamente en el lecho superior de las zapatas (fig. 11 .4b). Las zapatas desplantadas a

varios metros abajo del nivel del suelo (fig. 11.4c), requieren la compactación de los rellenos que quedan debajo del piso. En este último caso, el grado de compactación obtenido arriba de la zapata suele diferir del obtenido en el terreno adyacente, especialmente cerca de las columnas, por lo que es dificil de evitar el agrietamiento del piso; en consecuencia, son preferibles las disposiciones mostradas en las figs. 11.4a y 11.4b. Por supuesto, las zapatas exteriores deben llevarse a un nivel inferior al de congelación y no podrá evitarse la colocación del piso adyacente sobre relleno. El relleno requiere una cuidadosa compactación para dar el soporte adecuado para la losa del piso cercana al muro exterior. 

Figura 11.4 Disposiciones comunes de las zapatas interiores con respecto a la losa de piso.

Control de la Compactación - construcción de un relleno compactado.

La construcción de un relleno compactado requiere un cuidadoso control. Para logralo, comúnmente se sigue uno de dos procedimientos; las circunstancias indican cual de los dos deberá emplearse en cada obra particular.

Si los materiales que van a usarse para el relleno han sido escogidos y estudiados por el ingeniero, y en la localidad existe una amplia experiencia en su compactación, con el equipo que puede conseguirse generalmente en la región, el ingeniero puede preferir especificar los detalles del procedimiento de compactación, como la humedad, espesor de las capas, tipo de equipo y número de pasadas. Entonces, el control consiste principalmente en hacer que se cumpla con el procedimiento y en asegurarse de que el terraplén adquiere las propiedades previstas por el proyecto. Si el inspector juzga que debe hacerse algún cambio, como cuando se necesitan pasadas adicionales, da la orden y se paga al contratista correspondientemente. En este procedimiento, se reconoce que la uniformidad de la aplicación de un procedimiento de construcción apropiado es quizá la mejor garantía del funcionamiento satisfactorio de un relleno. El método se adapta mejor a las obras grandes, en las que se han efectuado intensas investigaciones preliminares; en realidad, este es el procedimiento adoptado por organizaciones como el Cuerpo de Ingenieros de los E.E.U.U en las grandes presas y aeropuertos que construye.

En muchas obras pequeñas no se conoce el banco del que se va a extraer el relleno, ni el tipo de equipo de compactación que se usará, antes de efectuar el contrato. Bajo estas condiciones, el ingeniero usualmente especifica condiciones generales para la aceptabilidad del material de relleno y exige se coloque dentro de un intervalo de humedad cercano a la óptima y se obtenga un grado de compactación núnimo. También especifica las normas de compactación aplicables; para la mayor parte de los edificios se designa la prueba Proctor Estándar. El procedimiento de control en el campo consiste en determinar la curva humedad-peso volumétrico seco correspondiente, a la prueba Proctor Estándar para cada tipo de material de relleno, y en ejecutar pruebas de control en el campo, para determinar si la humedad de compactación estaba dentro del intervalo especificado y si se obtuvo el peso volumétrico seco señalado. Los detalles del procedimiento de compactación se dejan al contratista. El procedimiento tiene dos inconvenientes principales; cuando los suelos son variables, pueden llegar a necesitarse muchas pruebas para identificar a los materiales en que se han hecho las pruebas de campo, con aquellos en que se han obtenido las curvas de humedad-peso volumétrico seco, y tendrá que eliminarse mucho relleno ya hecho, si las pruebas de comprobación descubren defectos en suelos ya cubiertos con más relleno.

El uso de la prueba Proctor Estándar para el control de la compactación de rellenos para edificios, es más adecuado que otras normas mas rigurosas, como la prueba modificada de la AASHO, porque el equipo de compactación usado para rellenos que sustentarán edificios es generalmente mucho más ligero que el adoptado para las carreteras, presas de tierra o aeropistas. En la mayor parte de las obras, la humedad para compactación debe estar comprendida (wopt ± 2%) para suelos ML, (wopt ± 3%) para suelos CL y MH, y (wopt ± 5) para suelos CH de potencial moderado o bajo de expansividad. Para estos suelos cohesivos, un peso volumétrico seco correspondiente a 95 por ciento del Proctor Estándar es usualmente suficiente. En los suelos que no tienen cohesión, algunas veces se especifica una Compacidad Relativa mínima (art. 1.5), en lugar de un porcentaje mínimo del peso volumétrico seco Proctor Estándar. Sin embargo, como la determinación exacta de la Compacidad Relativa es difícil en las condiciones del campo, pueden ser preferibles los métodos indirectos, como las pruebas de carga estándar, las pruebas de penetración estándar (art. 5.4), o las pruebas CGfl el cono holandés. Deberá obtenerse una Compacidad Relativa correspondiente a un valor N de cuando menos 30.

Deben evitarse las arcillas de elevado potencial expansivo como relleno bajo cimentaciones o pisos de apoyo directo en dicho relleno. Las condiciones a largo plazo de equilibrio de humedad en el relleno situado debajo de la estructura, rara vez corresponden a las que existían cuando se hizo la construcción y son muy difíciles de predecir. Si el suelo se seca, es posible que se contraiga en forma desigual, y algunas porciones de los pisos o algunas zapatas pierdan su capacidad de carga, produciéndose entonces asentamientos irregulares. Si la humedad aumenta, la estructura, y especialmente el piso, pueden hincharse irregularmente y agrietarse y se producirán grandes empujes en los muros de la cimentación. Si no existe alguna alternativa práctica para no usar arcilla expansiva para relleno, es preferible tender y compactar el material algo más húmedo que con la humedad óptima, porque los efectos de la expansión son usualmente más perjudiciales que los de la contracción. Si la humedad en el relleno puede aumentar y disminuir alternativamente, pueden pronosticarse daños importantes.

Las arcillas expansivas pueden, en muchos casos, transformarse permanentemente en suelos de mucho menor plasticidad y potencial expansivo, mezclándolas con una pequeña proporción de cal hidratada, Ca(OH)2. 

Este tratamiento debe aplicarse solamente después que se hayan hecho las investigaciones adecuadas para determinar la cantidad de cal necesaria y el grado de beneficio que puede esperarse (Eades y Grim, 1966).

La adición de cal puede resultar también útil para facilitar el manejo de limos y arcillas que tengan humedades en el campo mayores a las óptimas de compactación. El efecto principal de la cal consiste en reducir por hidratación el agua libre en el suelo; también reduce la plasticidad. Probablemente el suelo compactado aumente de resistencia y firmeza con el tiempo. Con frecuencia se usa el cemento portland para el mismo objeto; generalmente es menos eficaz para reducir el agua libre, pero puede suceder que con él el terreno adquiera más resistencia a largo plazo. Puede resultar más económico hacer una mezcla previa con cal seguida de la adición de cemento, cuando se requiera una resistencia importante.

Colocación y Compactación de Rellenos - Suelos.

Los mejores materiales para hacer rellenos en los solares de construcción son las arenas y gravas bien graduadas, que posiblemente contengan una pequeña proporción de finos arcillosos. Desafortunadamente, las condiciones económicas dictan usualmente el uso de materiales de menor calidad que puedan estar cerca de la obra. La mayor parte de los suelos inorgánicos son aceptables, con excepción de las arcillas plásticas muy expansivas y arcillas con humedad natural muy superior a la óptima de la prueba Proctor Estándar, en localidades en que las condiciones climáticas impiden el secado por manipulación y exposición al aire. 

Los limos sin cohesión y las arenas uniformes muy finas son también inadecuados, porque son difíciles de compactar.

Las técnicas modernas para colocación de terraplenes sugieren construirlos en capas, usualmente no más gruesas de 30 cm, después de compactadas, y en el empleo del equipo de compactación adecuado al tipo de suelo, La humedad de colocación debe tener un valor cercano al óptimo correspondiente al tipo de suelo y procedimiento de compactación que se esté usando.

Cuando resulte práctico, el tendido y compactación del terraplén deben hacerse cuando el área se encuentre libre de obstáculos como zapatas de cimentación, instalaciones y otras construcciones. El relleno se distribuye normalmente en camellones, que se extienden con bulldozers o motoconformadoras, y se compactan con equipos tirados por tractores. Los compactadores neumáticos (fig 11 .3a) que aplican 20 tons. o más a un grupo de cuatro ruedas en fila, con una presión en las llantas del orden de 4 kg/cm2, usualmente logran la compactación después de aproximadamente 6 pasadas en la mayoría de los materiales granulares ligeramente cohesivos a la humedad óptima o cerca de ella. Los rodillos pata de cabra (fig. 11.3b) son más efectivos para suelos limosos o arcillosos; son tambores de acero, de más de 1 m de longitud, y con diámetros del orden de 1 m, a los que se fijan salientes o patas, que sobresalen unos 25 cm, de la superficie del tambor y que tienen un área de apoyo usualmente comprendida entre 25 y 50 cm2. Muchas veces, los tambores se lastran para que pesen unas 2 tons y los vástagos apliquen presiones en el orden de 8 kg/cm2, aproximadamente. Generalmente, son necesarias de seis a ocho pasadas para obtener la compactación requerida. Para las arenas y gravas desprovistas de cohesión son preferibles los rodillos vibratorios. Son tambores de acero que aplican un peso de 3 a 5 tons aproximadamente, más una fuerza oscilatoria vertical de magnitud ligeramente menor, aplicada con una frecuencia del orden de 20 Hz. Generalmente, son suficientes dos pasadas.

Siempre que sea posible, deberán hacerse en el terraplén las excavaciones para zapatas, muros de contención e instalaciones después de su compactación. Sin embargo, en muchos casos, las zapatas y los muros están construidos antes de que se hayan tendido las capas finales del relleno. En este caso, el relleno no puede compactarse con equipo para trabajos en gran escala. Si el terraplén es cohesivo, puede compactarse en las esquinas y rincones por medio de pisones neumáticos de mano; el espesor de las capas no deberá exceder de 10 cm. Las arenas y gravas sin cohesión pueden compactarse por medio de pequeños rodillos o placas vibratorios (fig. 11.3c). Debe cuidarse que el material situado detrás de los muros de contención no se compacte en exceso; de otra manera, los muros podrán desalojarse y aun agrietarse.

Los rellenos de las zanjas para instalaciones y otros espacios que van a quedar cubiertos con pisos o pavimentos deberán consistir preferentemente de la arena mejor graduada disponible y de mezclas de grava y arena. Los materiales para este objeto frecuentemente se vacían sueltos en el lugar, y luego se inundan con intención de compactarlos. Aunque se usa mucho todavía este procedimiento, no debe permitirse. En los rellenos cohesivos inevitablemente debilita y reblandece el suelo produciendo en el futuro, pérdida de capacidad de carga y asentamientos. En las arenas uniformes o finas el procedimiento no puede hacer otra cosa que producir el colapso de las zonas inestables muy sueltas, asociadas al aumento de volumen y dejar la arena con una compacidad relativa cercana a cero; si el relleno es de arena y grava bien graduadas, el efecto de aumento de volumen es despreciable y no se obtiene ningún beneficio de la inundación.

Figura 11.3 Equipo comúnmente usado para compactación a) Rodillo neumático b) Rodillo de pata de cabra c) placa vibratoria para trabajar a mano

Asentamientos por Consolidación de Suelos Subyacentes - Precomprensión del material de Cimentación .

En la sección anterior se ha demostrado que el proyecto de una estructura apoyada sobre un terraplén compactado debe ir precedido por la predicción del asentamiento que produciría la compresión de los depósitos inferiores. Los procedimientos para hacer predicciones, con respecto a su magnitud y rapidez.

Si el material compresible tiene relativamente poco espesor y está situado inmediatamente debajo de la superficie original del terreno, en algunos casos puede quitarse económicamente, excavándolo. Si además es muy débil, en ocasiones puede desalojarse haciendo avanzar el relleno en una sola dirección, desplazando el material en una ola de lodo en el frente y lados de la obra. Este desplazamiento del material, aun con una supervisión cuidadosa, puede recomendarse raras veces, por el peligro de que queden atrapadas porciones del material blando remoldeado bajo el terraplén, en cuyo caso podrán producirse asentamiento importantes.

En muchos casos, gran parte del asentamiento debido al peso del relleno ocurre durante la construcción o poco después de ella. Es probable que el peso adicional del edificio y su contenido sea una pequeña fracción del peso del terraplén, por lo que la magnitud del asentamiento, posterior a la construcción puede ser lo suficientemente pequeña como para que sea tolerable, y no sean necesarias medidas especiales. Si el asentamiento posterior a la construcción va a ser excesivo, la parte superior del terraplén puede dejarse provisionalmente más alta que la rasante final. El peso del terraplén adicional, llamado sobrecarga, aumenta la rapidez y la magnitud del asentamiento del depósito compresible. Cuando el asentamiento llegue a ser igual al que se producirla finalmente en el depósito inferior con el terraplén normal más el peso del edificio ocupado, puede quitarse la sobrecarga. De esta manera, puede acelerarse el asentamiento de la construcción, mientras que el asentamiento restante durante la vida de la estructura puede reducirse mucho, o casi eliminarse. Como la función de la sobrecarga es solamente proporcionar peso, la compactación de la sobrecarga es innecesaria, excepto en la porción que vaya a quedar debajo de la rasante final.

Cuando el depósito compresible contenga una elevada proporción de materia orgánica, gran parte del asentamiento puede provenir de la consolidación secundaria, y los resultados obtenidos por la sobrecarga pueden no ser tan favorables como pueda preverse. Además, si el depósito consiste en un estrato grueso de arcilla, sin capas drenantes, el tiempo necesario para el asentamiento, ya sea durante el relleno, o bajo la sobrecarga, puede ser demasiado largo para ser aceptable. Bajo condiciones favorables, pueden resultar provechosos drenes de arena, pero en muchos casos, puede suceder que la estructura apoyada en un terraplén no sea el tipo de construcción adecuado.

Las predicciones de la rapidez de asentamiento de un depósito compresible bajo

la influencia de una sobrecarga probablemente sean inseguras, debido principalmente a la dificultad para apreciar la longitud de las trayectorias de drenaje que seguirá el agua al escaparse, y si se usan drenes de arena, por las diferencias entre los coeficientes de consolidación en las direcciones vertical y horizontal. Para asegurarse de que el tiempo requerido para la consolidación no es demasiado corto ni innecesariamente largo, se acostumbra hacer observaciones de control (fig. 11.2). Se instalan bancos para medir asentamientos en la base del terraplén y se observan periódicamente, durante y después del relleno. Comúnmente, se instalan también piezómetros (fig. 11 .2c) a diferentes profundidades en el suelo compresible, para observar el exceso de presión intersticial producida por el terraplén, y la rapidez con la que se disipa. Si el terraplén es de extensión limitada, también se colocan referencias al pie de sus taludes para conocer los movimientos laterales o bufamientos que indiquen la falla del material blando que está bajo el peso de la sobrecarga.

Ocasionalmente, se colocan terraplenes compactados encima de arena sumergida, tan suelta, que la sacudida de un terremoto u otras alteraciones dinámicas transformarían la arena en una masa inestable, responsable de grandes asentamientos, y aun de la pérdida completa de apoyo, y el colapso de las estructuras cimentadas sobre los terraplenes. Estas arenas requieren compactación por hincado de pilotes (art. 19.5) o por otros medios, como la vibroflotación.

 Figura  11.2  Observaciones de control durante la  por sobrecarga a) Instalación típica b) Detalles del banco para medir asentamientos c) Detalle de un modelo de piezometro abierto d) Resultados típicos de las observaciones.

Cimentaciones: Consideraciones para el Proyecto.

En la fig. 11.1, se ilustran las principales consideraciones para el proyecto de una estructura apoyada en un relleno. Se supone que se va a apoyar un edificio industrial ligero de un piso en un bajío que cubre un depósito profundo de suelo compresible. Antes de construir el propio edificio, se eleva la rasante de toda el área varios metros con un terraplén compactado. Se construye un terraplén adicional para soportar el piso, situado aproximadamente a 1.5 m arriba del nivel del terreno circundante, a una altura conveniente para descargar directamente mercancías de los furgones del ferrocarril o de los camiones de carga. Las columnas se desplantan sobre zapatas apoyadas en el relleno.

En estas condiciones, el relleno es el apoyo local inmediato para las zapatas de cimentación, muros de contención y pisos del edificio. Si la construcción del terraplén y su compactación se controlan correctamente, es probable que el relleno resulte más resistente y menos compresible que la mayor parte de los depósitos naturales. En este sentido, es un excelente material de cimentación. Por otra parte, el mismo terraplén aplica una carga importante sobre el suelo compresible inferior. Por ejemplo, el terraplén de l:50m construido dentro de los muros de contención, puede añadir una carga del orden de 3000 kg/m2 sobre el área de la estructura, carga que es aproximadamente igual a la producida por un edificio para oficinas de 5 pisos, sin sótano; o por uno de 15 pisos con sótano.

Figura 11.1. Sección transversal en un edificio para industria ligera sobre suelo cornpacdo.

Además, debido a que la carga se distribuye en un área grande, se produce un aumento de esfuerzos correspondiente en todo el espesor del depósito compresible. Así, aunque el relleno es un excelente apoyo para las zapatas y los pisos, puede producir asentamientos perjudiciales en toda el área, incluyendo el edificio construido arriba. Bajo estas circunstancias, ningún refinamiento empleado en la distribución o en el proyecto de las mismas zapatas puede mejorar apreciablemente el mal funcionamiento de la estructura.

El proyecto de una estructura apoyada en un terraplén, ha de contemplar dos etapas. La primera es determinar si el peso del terraplén y del edificio producirá asentamientos excesivos a gran profundidad. Si este es el caso, deberán tomarse medidas para evitar el asentamiento o sus consecuencias, o inclusive, puede considerarse que el lugar no sirve para el objetivo planeado. Solamente en el caso de que las consecuencias perjudiciales de los asentamientos a gran profundidad puedan aceptarse o eliminarse, debe emprenderse la segunda etapa del proyecto. El asentamiento de los materiales blandos inferiores puede entonces ignorarse, y a las cimentaciones se les darán las dimensiones de acuerdo con las características del relleno, considerando debidamente la resistencia del suelo que está debajo del terraplén.

Cimentaciones Sobre Rellenos Compactados.

Se ha considerado incluso recientemente, que los rellenos son inadecuados para apoyar las cimentaciones de las estructuras, ya sean residenciales, comerciales, o industriales. En épocas pasadas, muchos rellenos eran simplemente material de desperdicio, que frecuentemente estaba formado por mezclas de varios tipos, sin haber compactado ni tratado previamente los suelos superficiales en que se habían apoyado. Las estructuras apoyadas en estos rellenos usualmente sufrían grandes asentamientos diferenciales y agrietamientos. En consecuencia, una práctica cuidadosa exigía prolongar las zapatas, pilotes o pilas a través de los rellenos, penetrando en el terreno natural, hasta encontrar el apoyo adecuado. Los pisos de las plantas bajas, se apoyaban estructuralmente en la cimentación del edificio o bien, directamente en el relleno, a sabiendas de que se necesitarían frecuentemente reparaciones, refuerzo de espesores, o cambios.

En contraste con los rellenos sin control de otros tiempos, en la actualidad se construyen muchos terraplenes utilizando procedimientos cuidadosamente controlados, sobre el terreno natural del cual primero se quitan los materiales superficiales débiles y compresibles. Estos terraplenes pueden constituir un mejor apoyo para las estructuras que los depósitos naturales, y se usan en gran escala en la construcción de fraccionamientos residenciales y áreas industriales. En algunos casos, suelos en los que podría haberse presentado grandes asentamientos, se sujetan a tratamientos especiales para reducir su compresibilidad y se dejan debajo de los rellenos.

Drenaje, Impermeabilización y Protección contra la Humedad - Zapatas, Sotanos.

Con frecuencia puede comprobarse que los desperfectos en los edificios se deben a movimientos producidos por el desagüe inadecuado del agua superficial. Por lo tanto, la conformación de la superficie alrededor de un edificio debe proyectarse cuidadosamente. Si la superficie del terreno alrededor del edificio no está pavimentada, su pendiente no debe ser menor de 8.0 %.

La naturaleza del subsuelo y las condiciones del agua freática en un lugar, deben siempre considerarse en la elección de las elevaciones para los niveles de Sótanos y pisos. Si el sótano debe desplantarse abajo del nivel freático normal, deberán tomarse precauciones especiales para evitar las filtraciones dentro de la estructura. 

Se usan comúnmente dos métodos generales: drenaje, con el que se evita que el agua llegue al exterior de la estructura, e impermeabilización con el que se impide la entrada del agua adyacente a la estructura por medio de algún tipo de barrera impermeable. Frecuentemente los dos métodos se combinan.

El drenaje puede resultar conveniente donde las filtraciones sean lo suficientemente pequeñas como para permitir la evacuación del agua a bajo costo, usualmente por gravedad, por albañales o zanjas. La instalaciones más comunes para este caso son los drenes en las zapatas (figs. 10.5a y 10.5b), y los drenes de piso,(fig.10.5c).

Los drenes en las zapatas pueden consistir en tramos cortos de tubo de barro, colocados no a tope, sino con holguras de 6 mm entre los tramos, protegidas con una tira de fieltro para impedir la entrada del suelo. Cada vez se utilizan más los tubos de metal corrugado o de plástico perforados, debido a su economía y facilidad de instalación. Los drenes se tienden en zanjas que se rellenan con material de filtro hasta un nivel situado a 30 cm de la superficie. El relleno de los últimos 30 cm se hace con material menos permeable, para impedir la entrada de las aguas superficiales. Cuando la presencia del agua en los drenes pueda reducir la resistencia del suelo que está debajo de las zapatas, el tipo b es mejor que el tipo a. Si existe la posibilidad de que el suelo que se va a drenar obstaculice el drenaje del relleno, éste último debe satisfacer los requisitos para filtro.

Los drenes de piso (fig. 10.5c) no son necesarios usualmente, si los drenes de las zapatas son efectivos. Sin embargo, en algunos casos, puede haber flujo de agua lento debajo de la estructura y puede ser aconsejable el drenaje. Los drenes de piso o de zapata no deben conectarse a tubos de bajada ni a drenes superficiales.

Si resulta excesiva la cantidad de agua que se colectaría en un sistema de drenes, puede ser necesario impermeabilizar el sótano y permitir que la estructura quede sujeta a toda la presión del agua. El procedimiento más positivo es el método de la membrana. En este método, se construye una membrana compuesta de capas alternadas de fibra y de material asfáltico, sobre o cerca del exterior del edificio. El material asfáltico se aplica caliente. Esta membrana es suficientemente flexible y dúctil para mantener su integridad si ocurre un agrietamiento moderado en los muros o en los pisos.

Para que sea completamente efectiva la membrana impermeabilizante debe ser continua sobre toda la superficie de la estructura que penetre abajo del nivel del agua. Para esto se requiere la construcción de un sub-piso sobre el que se construye la membrana antes de construir el piso estructural, y requiere detalles especiales en muros y zapatas (figs. l0.5d y 10.Se). La fig. 10.5e, muestra también la disposición necesaria si el muro exterior no es accesible para cubrirlo con la membrana.

Como los muros y pisos que quedan dentro de la membrana quedan sujetos a toda la presión del agua, deben proyectarse para esta fuerza, así como para la presión de tierra.

La filtración de la humedad capilar a través de las paredes y pisos del sótano, puede reducirse colocando material permeable fuera de los muros y debajo de los pisos. Ordinariamente, el paramento exterior del muro se pinta con material asfáltico y el piso se cuela sobre una lámina de cloruro de polivinilo que descansa sobre el material permeable. Con estas medidas, comúnmente se impide la entrada de la humedad al muro o al piso. Existen varios aditivos para disminuir la permeabilidad del propio concreto y para reducir el paso de la humedad. La eficacia de estas sustancias es extremadamente variable. 

 

Figura 10.5  Métodos para drenar e impermeabilizar sótanos a) Dren de zapatas b) Dren interceptor c) Dren de piso d) Membrana impermeable cuando es accesible desde fuera la pared exterior e) Membrana impermeable cuando el muro exterior no es accesible.

Losas de cimentación y Métodos de Refuerzo.

Una losa de cimentación es una zapata combinada que cubre toda el área que queda debajo de una estructura y que soporta todos los muros y columnas. Cuando las cargas del edificio son tan pesadas o la presión admisible en el suelo es tan pequeña que las zapatas individuales van a cubrir más de la mitad del área del edificio, es probable que la losa corrida sea más económica que las zapatas.

Ordinariamente, las losas de cimentación se proyectan como losas de concreto planas y sin nervaduras. Las cargas que obran hacia abajo sobre la losa son las de las columnas individuales o las de los muros. Si el centro de gravedad de las cargas coincide con el centroide de la losa, se considera que la carga hacia arriba es una presión uniforme igual a la suma de las cargas hacia abajo dividida por el área de la propia losa. No se considera el peso de ésta en el proyecto estructural, porque se supone que lo soporta directamente el suelo. Como en este método de análisis no se consideran los momentos y fuerzas cortantes producidas por los asentamientos diferenciales, se acostumbra reforzar la losa más que lo que se requiere de acuerdo con el análisis.

Las losas de cimentación se usan también para reducir el asentamiento de las estructuras situadas sobre depósitos muy compresibles. Bajo estas condiciones, la profundidad a la que está desplantada la lasa se hace a veces tan grande, que el peso de la estructura más el de la losa está completamente compensado por el peso del suelo excavado. Entonces, el asentamiento de la estructura sería casi insignificante. Cuando resulta impracticable hacer una compensación total, puede colocarse una losa menos profunda, si el aumento neto en la carga es suficientemente pequeño como para producir asentamientos tolerables. 

Si las cargas de las columnas no están más o menos uniformemente distribuidas, o si el subsuelo es tal que puedan producirse grandes asentamientos diferenciales, las losas grandes pueden reforzarse para evitar deformaciones excesivas. Esta forma de refuerzo se hace usando muros divisorios como nervaduras de vigas T conectadas a la cimentación (fig. 10.4a), construyendo una cimentación celular o de marcos rígidos (fig. 10.4b), o, en algunos casos, utilizando la rigidez de una superestructura de concreto reforzado. Cuanto mayor sea la losa, tanto más costosos resultan estos procedimientos; frecuentemente son preferibles las cimentaciones de pilotes o de pilas. 

Figura 10.4  Métodos para reforzar grandes losas de cimentación a) Uso de costillas o muros como vigas T b) Construcción de marcos rígidos.

Zapatas Combinadas.

Si las cargas de varias columnas se transmiten a una misma zapata, las dimensiones de ésta deben ser tales que su centroide coincida con el de las cargas de las columnas, bajo condiciones normales, y de manera que la presión máxima debajo de la zapata no exceda de la presión de seguridad del suelo bajo las cargas más severas. Se acostumbra usar las zapatas combinadas a lo largo de los muros de los edificios en los linderos de la propiedad, donde las zapatas corridas no pueden prolongarse fuera de los límites de la estructura, figs. l0.1c, 10.ld, y 10.le. Bajo estas circunstancias, las zapatas corridas se combinan usualmente con las zapatas interiores empleando alguno de los tres métodos mostrados.

Zapatas: Presiones Admisibles en el Suelo.

En los primeros tiempos de la ingeniería de cimentaciones se elegía el área de las zapatas de acuerdo con el criterio del ingeniero, basándose en su experiencia. En la mayor parte de los lugares se inventaron reglas empíricas sencillas. Por ejemplo, en algunas partes de los Estados Unidos, el ancho de una zapata corrida en pies era igual al número de pisos de la estructura. No se pensó en dar áreas mayores a las zapatas para soportar cargas más pesadas.

Al principio de la década de 1870, la determinación de las dimensiones se hizo apoyándose en una base más racional. Los ingenieros progresistas de aquellos días recomendaban que las áreas de las zapatas en un lugar dado, se hicieran proporcionales a las cargas que obraban en ellas, y que el centro de gravedad de la carga debía coincidir con el centroide de la zapata. Se creía que los asentamientos de todas las zapatas serían iguales y que no se inclinaría ninguna zapata si se segun concienzudamente estas recomendaciones. Además, se creía que para cada suelo existía una presión específica bajo la cual los asentamientos de las diferentes zapatas no excederían de valores razonables, Esta presión, conocida como presión admisible en el suelo, se especificaba generalmente en el reglamento de construcción o en las ordenanzas de la ciudad en la que se localizaba la construcción.

Con el perfeccionamiento de la mecánica de suelos, se hizo evidente que la seguridad o el asentamiento de una zapata dependen de muchos factores, además de la presión ejercida en el subsuelo. Sin embargo, como el concepto de la presión admisible en el suelo es tan cómodo, se ha conservado en la moderna ingeniería de cimentaciones, pero con modificaciones y limitaciones dictadas por los criterios actuales. Estasmodificaciones y limitaciones, constituyen una gran parte de la información.

Zapatas: Consideraciones Generales.

En las zonas frías, las zapatas se desplantan comúnmente a una profundidad no menor que la penetración normal de la congelación. En los climas más calientes, y especialmente en las regiones semiáridas, la profundidad mínima de las zapatas puede depender de la mayor profundidad a que los cambios estacionales de humedad produzcan una contracción y expansión apreciable del suelo.

La elevación a la que se desplanta una zapata, depende del carácter del subsuelo, de la carga que debe soportar, y del costo del cimiento. Ordinariamente, la zapata se desplanta a la altura máxima en que pueda encontrarse un material que tenga la capacidad de carga adecuada. En algunos casos, si se encuentra un estrato especialmente firme a mayor profundidad, puede ser más económico desplantar la zapata a una elevación menor, debido a que el área necesaria para la zapata es menor.

La excavación para una zapata de concreto reforzado debe mantenerse seca, para poder colocar el refuerzo y sostenerlo en su posición correcta mientras se cuela el concreto. Para hacer esto en los suelos que contienen agua puede ser necesario bombear, ya sea de cárcamos o de un sistema de drenes instalado previamente. Generalmente, se requieren moldes en los lados de la zapata. La necesidad de bombear y de soportar los frentes de las excavaciones en las que se construyen las zapatas, puede aumentar mucho el costo de una cimentación de este estilo.

Zapatas: Historia de su Evolución.

Indudablemente, las zapatas representan la forma más antigua de cimentación. Hasta mediados del siglo diecinueve, la mayor parte de las zapatas eran de mampostería. Si se construían de piedra cortada y labrada a tamaños especificados, se les llamaba zapatas de piedra labrada. En contraste, las zapatas de mampostería ordinaria se construían con pedazos de piedra de todos los tamaños, unidos con mortero. Las zapatas de mampostería eran adecuadas para casi todas las estructuras, hasta que aparecieron los edificios altos con cargas pesadas en las columnas. Estas cargas requerían zapatas grandes y pesadas que ocupaban un valioso espacio en los sótanos.

En los primeros intentos para ampliar las áreas de las zapatas, sin aumentar el peso, se construían emparrillados de madera, y las zapatas convencionales de mampostería se colocaban sobre ellos. En 1891, se utilizó un emparrillado construido con rieles de acero de ferrocarril, ahogados en concreto como una mejora del emparrillado de madera (John Wellborn Root, Montauk Block, Chicago). El emparrillado de rieles fue un adelanto importante, porque ahorraba mucho peso y aumentaba el espacio en el sótano. En la siguiente década, los rieles de ferrocarril fueron sustituidos por las vigas 1 de acero, que ocupaban un poco más espacio, pero que eran apreciablemente más económicas en acero. En la fig. 10.2, se muestran emparrillados de cimentación típicos de madera, de rieles de ferrocarril, y de vigas de acero en I.

Las vigas de acero en I se adaptaban admirablemente a la construcción de zapatas en cantiliver. Estas se empezaron a usar en 1887, casi simultáneamente en dos edificios en Chicago. En la fig. 10.3 se ilustra una de ellas.

Con el advenimiento del concreto reforzado, poco después de 1900, las zapatas de emparrillado fueron superadas casi por completo por las de concreto reforzado, que son todavía el tipo dominante.

Figura 10.2  Evolución histórica de los emparrillados para cimentación de a) madera b) rieles de ferrocarril, c) vigas I de acero.

Figura 10.3  Zapatas en cantiliver para soportar una columna del Auditorium Building, Chicago 1887.

Tipos de Zapatas.

Una zapata es una ampliación de la base de una columna o muro, que tiene por objeto transmitir la carga al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo. Las zapatas que soportan una sola columna se llaman individuales o zapatas aisladas. La zapata que se construye debajo de un muro se llama zapata corrida o zapata continua. Si una zapata soporta varias columnas se llama zapata combinada. Una forma especial de zapata combinada que se usa comúnmente en el caso de que una de las columnas soporte un muro exterior es la zapata en voladizo o cantiliver. Los diferentes tipos se ilustran en la fig. 10.1. 

 Figura 10.1 Tipos de zapatas a) Zapata individual para columna b) Zapata para muro c) y d) Zapatas Combinadas e) Zapata en cantiliver.

Diferentes Métodos de Drenaje y Estabilización.

La estabilización de arenas y limos valiéndose del drenaje no siempre es factible. Por lo tanto, se han ideado diversos métodos, en la mayor parte de los cuales se inyectan lodos o soluciones en los vacíos del suelo. Estos materiales endurecen el suelo en grados variables y le imparten cohesión. Como llenan parcialmente los vacíos, también reducen la permeabilidad.

En muchas ocasiones, se ha intentado la inyección de lechada de cemento. La experiencia ha demostrado que el método puede producir resultados muy buenos, pero solamente si el suelo es relativamente homogéneo y no está estratificado, y si el tamaño de los granos no es demasiado pequeño. La lechada no penetrará los vacíos de un suelo suelto cuyo diámetro efectivo D10 sea menor que 0.5 mm, o los de un suelo compacto cuyo diámetro efectivo sea menor que 1.5 mm. Por lo tanto, las inyecciones de cemento no son adecuadas para los suelos más finos que las arenas gruesas.

El tamaño de las partículas del cemento, limita la finura de una arena adecuada para la inyección de cemento. Sin embargo, pueden obtenerse suspensiones de arcilla de cualquier finura deseada, quitando las fracciones más gruesas de las arcillas naturales. Esto ha conducido a la realización de intentos de inyectar suelos con lodos de arcilla. En la práctica, se ha encontrado que impide la penetración, la formación de una película filtrante que tapa los huecos. La formación de la película filtrante depende al parecer, en gran manera de los electrólitos que se hallen presentes en el agua subterránea; esta influencia introduce un elemento de gran incertidumbre con respecto a la eficacia del procedimiento. En realidad, parece que los materiales que pueden inyectarse con éxito con lodos de arcilla tienen aproximadamente las mismas características que los que son adecuados para la inyección de cemento. Además, aunque la inyección de arcilla puede reducir mucho la permeabilidad de la arena, no aumenta gran cosa su resistencia.

Se ha practicado mucho la solidificación de suelos inyectándoles sustancias químicas. Un procedimiento común consiste en la inyección de silicato de sodio y cloruro de calcio, que reaccionan en el suelo para formar un aglutinante cohesivo. En una variante de este método, se inyecta una sola solución que contiene un amortiguador que retrasa y controla el tiempo de fraguado. Estos métodos tienen mucho éxito en las arenas limpias relativamente homogéneas con diámetro efectivo mayor que 0.1 mm, pero la eficacia del procedimiento disminuye rápidamente al disminuir el tamaño de los granos o la homogeneidad de la arena. Además, depende mucho de la composición química del agua subterránea.

También se han usado muchos polímeros que se mezclan con catalizadores y retardado res antes de la inyección, y que reaccionan después de un lapso para formar un gel casi impermeable. Antes de la reacción, la viscosidad de la mezcla es solamente el doble de la del agua. Además, al tiempo de la reacción no lo afectan significativamente la composición química del agua subterránea. El tiempo que dura la reacción puede controlarse para que ocurra en pocos segundos en varios minutos; con este control algunas veces es posible estabilizar materiales a través de los cuales el agua pasa con relativa rapidez.

Todos los procedimientos en que se emplean las inyecciones son costosos, y aun bajo condiciones favorables, son inciertos. Aunque se han hecho con éxito muchas aplicaciones, muchos otros intentos han resultado fracasos decepcionantes. Por lo tanto, las estabilizaciones de este tipo deben considerarse solamente en circunstancias excepcionales, donde el riesgo de un fracaso se compense, en vista de los posibles beneficios de una aplicación exitosa. En cualquier caso, la inyección no debe tomarse como una cuestión de rutina y no debe emprenderse sin el asesoramiento de especialistas competentes y experimentados.

Si el coeficiente de permeabilidad del suelo está comprendido entre 10^-4 y 10^-6 cm/seg, no resultaría satisfactorio ningún procedimiento de inyección. En estos suelos, la estabilización puede efectuarse por electro-ósmosis, que es un método eléctrico para crear presiones de filtración y producir consolidación. Se requieren estudios cuidadosos para determinar la probabilidad de éxito y estimar la energía requerida.

En algunos casos, se han impermeabilizado y estabilizado los suelos congelando el agua contenida en los vacíos. El método se ha usado con mayor frecuencia en la perforación de tiros o de túneles, pero también se ha empleado con éxito en la estabilización temporal de cuando menos un gran deslizamiento de limo. La congelación se efectúa haciendo circular un refrigerante por una serie de tubos dobles introducidos en el suelo que se trata de estabilizar. Cada tubo doble consta de una cubierta exterior dentro de la cual se bombea el líquido frío y de un tubo interior por el cual regresa. Pueden ser necesarias varias semanas o meses para congelar un bloque de suelo que tenga un volumen de unos cuantos cientos de metros cúbicos. El método es costoso debido al tiempo necesario, así como al costo del equipo refrigerante.

Drenes de arena

En muchos casos, es necesario construir una estructura o un terraplén sobre suelos finos con pequeña resistencia al esfuerzo cortante. La resistencia inicial de los suelos puede ser demasiado baja para que soporte el peso de la estructura sin fallar. Sin embargo, si los suelos débiles pueden drenarse con la suficiente rapidez como para permitir la consolidación casi al mismo tiempo que se aplica la carga, la resistencia del material puede aumentar lo suficiente para permitir una construcción segura.

Pueden construirse drenes verticales con el objeto de acelerar el drenaje en los suelos relativamente impermeables. En los Estados Unidos, estos drenes son comúnmente columnas de arena de 0.6 m de diámetro, dispuestos en cuadros o formando triángulos con separaciones de 3 a 5 m. La superficie del terreno sobre los drenes se cubre con una capa de material permeable, y la estructura o terraplén se construye en la parte superior de esta capa (fig. 9.6). Al aumentar el peso, se expulsa el agua del subsuelo hacia los drenes, de los cuales escapa por la capa permeable a las cunetas. Puede controlarse la rapidez de la consolidación, variando la separación y diámetro de los drenes.

La instalación de los drenes de arena puede alterar mucho la estructura del suelo, ya que puede disminuir su permeabilidad y su resistencia, y aumentar la compresibilidad. La alteración es especialmente grande si los drenes se forman con un mandril que desaloje el suelo. El no considerar o no disminuir estos efectos desfavorables ha dado por resultado malas instalaciones.

Figura 9.6  Instalación de drenes de arena.

Bombas de pozo profundo

En las excavaciones muy profundas, la instalación de pozos punta de varios pisos tiene la desventaja de que el nivel del agua desciende en forma súbita en los bordes de la excavación. En consecuencia, el gradiente hidráulico cerca de la excavación es bastante grande, y las presiones de filtración resultantes pueden producir la inestabilidad de los taludes. Bajo estas circunstancias, es más seguro, y algunas veces más económico, instalar pozos de gran diámetro equipados con bombas de pozo profundo. En la fig. 9.5, se muestra una instalación típica para esos pozos. La separación, que comúnmente varía de 6 a 60 m, depende de varios factores, incluyendo la permeabilidad del suelo y el espesor del estrato permeable.

Los pozos para una de estas instalaciones son perforaciones ademadas de diámetros que comúnmente varían de 15 a 60 cm. El ademe está perforado en las zonas permeables. La unidad de bombeo consiste en una bomba de turbina, sumergible, de varios pasos y motor montado en un eje vertical común. Una bomba de este tipo de 25 cm, es capaz de descargar 3,780 lt/min contra una carga de 24 m y requiere un motor de aproximadamente 30 HP.

Pozos Punta.

En los materiales granulares se puede abatir el nivel del agua freática por medio de pozos punta. Un pozo punta es un tubo perforado de longitud aproximada de 90 cm y de 38 mm de diámetro, cubierto con una tela cilindrica para evitar la entrada de partículas finas. Se unen al extremo inferior de un tubo vertical de 38 mm o 50 mm que se encaja verticalmente en el terreno. Usualmente, el pozo punta puede introducirse en el terreno con ayuda de un chiflón de agua, sin golpearlo, aunque en algunos estratos duros se requiere una pulseta o una barrena. En la obra, las lineas de pozos punta separadas de 0.5 a 1.5 m se conectan a una tubería colectora de 15, 20, o 25 cm tendida sobre la superficie del terreno. El colector, a su vez, está conectado a una bomba aspirante. En la fig. 9.2, se muestran las diferentes partes del conjunto. 

Si la profundidad de excavación abajo del nivel del agua freática es mayor que 4 o 5 m, posiblemente se requieran varias filas de pozos punta. La primera excavación se hace a una profundidad del orden de 4 m y se hinca la segunda línea de pozos antes de excavar los siguientes 4 o 5 m. Los pozos se disponen generalmente de manera que los bordes de la excavación quedan formados por un conjunto de taludes interrumpidos por bermas, en las que se alojan las zanjas de drenaje. A esta disposición se le llama de varios pisos y se muestra en la fig. 9.3.

Cuando la cantidad que se va a bombear por pozo es pequeña, puede usarse un sistema eyector de chorro en lugar de la instalación de varios pisos. Cada pozo punta se instala en el fondo de una perforación ademada. El pozo punta se conecta al lado inferior de una bomba de eyector de chorro, que a su vez se conecta a la superficie con dos tubos, uno de ellos es para el agua que llega a alta presión que hace funcionar la bomba, y el otro para el agua de retorno incluyendo la que sale del pozo punta. La eficiencia es baja, debido a que la mayor parte del agua que saca el sistema hubo de inyectarse previamente para operar la bomba. Sin embargo, un sistema de un sólo piso puede abatir el nivel del agua freática hasta 30m. Cuando las limitaciones de espacio impiden el uso de un sistema de etapas múltiples, pueden resultar económicos los eyectores de chorro.

Figura 9.2. Detalles de un pozo de Punta. 

Figura 9.3. Instalación de pozos punta en varios niveles. 

Si la permeabilidad es menor que 10^-4 cm/seg, el drenaje no puede lograrse bombeando simplemente de pozos punta, debido a que las fuerzas de la capilaridad impiden la salida del agua de los poros del suelo. Sin embargo, el drenaje puede efectuarse por consolidación. Esto puede lograrse haciendo funcionar los pozos punta con una presión inferior a la atmosférica, lo que provoca una succión (fig. 9.4). En este método, los pozos se colocan en perforaciones de 20 cm de diámetro, hechas con barrena o con chiflón. Se coloca luego un filtro de arena media o gruesa, alrededor del pozo hasta 0.5 ni o 1 m de la superficie. 

Arriba del filtro, se coloca un material impermeable tal como arcilla compactada para formar un sello. 

En perforaciones que no se mantienen abiertas pueden ser necesarias técnicas especiales.

Las bombas para estas instalaciones deben tener la capacidad para mantener la succión en los pozos y filtro que los rodea. Por lo tanto, la presión alrededor de los pozos se reduce a una pequeña fracción de la presión atmosférica, mientras que en la superficie del terreno obra el peso de la atmósfera. Así, el suelo se consolida bajo una presión de 10 ton/m2. 

Figura 9.4. Instilación de pozos punta para absorción

Figura 9.5. Drenaje por medio de bombas de pozo profundo.

El proceso de succión, es muy efectivo en limos y en limos orgánicos, pero el tiempo necesario para obtener la consolidación y la estabilidad es probable que sea de varias semanas.

Zanjas y Cárcamos

Donde el espacio lo permita, pueden usarse zanjas para abatir el nivel del agua freática en arena o en otros materiales que se han hecho permeables por grietas o juntas. En arenas limosas o finas, los taludes laterales ordinariamente deben ser relativamente tendidos debido a las presiones de filtración que produce el agua que penetra.

Los taludes relativamente tendidos que se requieren para las zanjas abiertas en arena, generalmente impiden el uso de zanjas para abatir el nivel del agua freática más que unos cuantos decímetros. Sin embargo, se usan las zanjas abiertas en el fon do de una excavación para recolectar el agua que se filtra en ella. Estas zanjas conducen a cárcamos de los cuales se bombea el agua.

Un cárcamo es una fosa a nivel más bajo que el de las zanjas que entran en él. Debe tenerse mucho cuidado para evitar que la arena y el limo de los lados y del fondo del cárcamo se deslaven y se vayan en el agua que se bombea. Para reducir la pérdida de arena por bombeo y evitar la consecuente inestabilidad, con frecuencia es conveniente revestir las paredes del cárcamo, y cubrir el fondo con un material de grano grueso que funcione como filtro. La fig. 9.1 muestra un dispositivo de ese tipo al pie de un corte en arena.

Un tubo de diámetro grande, colocado verticalmente, con material de filtro en su parte inferior, es con frecuencia satisfactorio. 

Figura 9.1. Cárcamo protegido con filtro para hacer cortes a cielo abierto en arena. 

El drenaje de construcciones temporales o permanentes también puede efectuarse, excavando cepas en vez de zanjas, colocando tubos de barro o tubos perforados en ellas y llenando las cepas de material permeable. 

Para evitar que se deslave el material fino del relleno que rodea la excavación, puede ser necesario rodear los drenes de material granular que satisfaga los requisitos de los filtros. El ancho de las aberturas en los tubos de drenaje deberá ser igual al (D60) del material por proteger.
 

Drenaje y Estabilización.

Introducción. Cuando la profundidad de excavación sea mayor que la distancia a la superficie libre del agua en un suelo permeable que tenga un coeficiente de permeabilidad mayor que aproximadamente 10^-3 cm /seg, el suelo debe desaguarse para que permita la construcción de las cimentaciones en seco. Si el coeficiente de permeabilidad del suelo está comprendido entre 10-^3 y 10^-5 cm/seg, la cantidad de agua que fluye hacia dentro de la excavación puede ser pequeña, pero todavía puede requerirse drenaje para mantener la estabilidad de los frenos y el fondo de la excavación. Si el coeficiente de permeabilidad es menor que 10^-7 cm/seg, es probable que el suelo posca suficiente cohesión para vencer la influencia de las fuerzas de filtración y puede no ser necesario el drenaje, aunque la excavación se extienda a considerable profundidad abajo del nivel del agua freática.

En las estructuras con sótanos, frecuentemente es necesario mantener abatido el nivel freático. Para esto se requiere la instalación de drenes permanentes.

El proceso físico del drenaje ya se ha descrito. La posibilidad de que el drenaje induzca asentamiento se considera. Los requisitos para el drenaje de los diferentes tipos de cimentaciones en diferentes formaciones del subsuelo se describirán mas adelante. Este capítulo se refiere principalmente a las técnicas generales de drenaje y al equipo necesario para efectuarlo.

Movimientos Asociados a las Excavaciones -Método para construir los muros de los sótanos - Método para preesforzar los puntales.

Para excavar siempre es necesario extraer material y, en consecuencia, se produce un cambio en el estado de esfuerzo en la roca o suelo, debajo y a los lados del espacio excavado. Este cambio ocurre se entiben o no los frentes del corte. Como ningún material puede sufrir un cambio de esfuerzo sin las deformaciones correspondientes, la excavación siempre está asociada a movimientos de la superficie del terreno adyacente. 

Estos movimientos usualmente tienen el carácter de asentamientos, pero en algunos casos raros, la superficie del terreno puede subir.

Figura 8.5. Uno de los varios sistemas de tirantes para soportar frentes verticales de cortes. Pueden usarse varios grupos de anclas, a elevaciones diferentes. 

Por otra parte, un apuntalamiento proyectado correctamente y construido con cuidado puede reducir materialmente el cambio en la presión lateral en el material adyacente a la excavación y, por lo tanto, es capaz de reducir los asentamientos a un valor que puede considerarse como prácticamente mínimo para un trabajo particular. Donde los asentamientos pueden dañar estructuras adyacentes, es uno de los deberes principales del ingeniero asegurarse de que el método propuesto para apuntalar las excavaciones es capaz de reducir los asentamientos a valores tolerables.

Si se satisface esta condición y los asentamientos son excesivos, el daño puede atribuirse a la falta de una buena mano de obra de parte del personal de Construcción. Estas cuestiones se estudian más detalladamente.

Una precaución común y conveniente para reducir los movimientos del terreno adyacente al mínimo práctico, consiste en preesforzar cada puntal cuando se inserte. Se ilustra un método en la ng. 8.7. Antes de insertar un puntal, se equipan con gatos hidráulicos dos puntales auxiliares para aumentar la distancia entre los largueros contra los cuales se va a apoyar el puntal. Luego se inserta el puntal y se aprieta bien con cuñas, de manera que permanezcan en el puntal esfuerzos de varias toneladas cuando se aflojen los gatos.

En muchas obras, han ocurrido movimientos excesivos y aun fallas aunque el sistema de apuntalamiento estaba bien proyectado. Las dificultades se originaron debido a que los pasos de la secuencia de la excavación y apuntalamiento no estaban bien especificados o no se siguieron, y se permitió que la excavación avanzara demasiado, antes de que se instalara el siguiente grupo de apoyos.

Figura 8.6.  antes de hacer la excavación general.

No es raro que la excavación y el apuntalamiento de una misma obra lo hagan diferentes contratistas. Como el apuntalamiento interfiere con la excavación, la tendencia de) contratista de excavación es adelantar todo lo posible antes de que se coloque el apuntalamiento, lo que debe evitarse con procedimientos rigurosamente estipulados y cumplidos.

Cuando las consecuencias de los asentamientos de la propiedad adyacente o una falla sean serios, se hacen observaciones en el campo para advertir con anticipación las tendencias desfavorables (art. 16.5). Estos estudios pueden incluir la medida de movimientos laterales y verticales del entibamiento y el apuntalamiento, de las fuerzas que se producen en las rastras y en los puntales, de los asentamientos de las estructuras adyacentes, y de los niveles piezométricos colocados debajo y al lado de las excavaciones. 

Figura 8.7. Método para preesforzar los puntales en los frentes de excavaciones.

Entibamiento y Apuntalamiento de Excavaciones Profundas.

Cuando la profundidad de la excavación es mayor que 6 m, el uso de forros de madera se hace antieconómico y se emplean comúnmente otros métodos para entibar y apuntalar. De acuerdo con uno de los procedimientos, se hincan tablestacas de acero alrededor del límite de la excavación. Al ir extrayendo el suelo del recinto formado por las tablestacas, se insertan largueros y puntales.

Los tipos de tablestacas que comúnmente se usan para este objeto son los mostrados

en la fig. 8.2. La resistencia y rigidez del tipo b que tiene el alma en forma de arco, excede a la de alma plana a; mientras que las tablestacas con alma en forma de Z son las que tienen la mayor resistencia. En consecuencia, se usan los tipos a y b en excavaciones de poca profundidad y el tipo c para las excavaciones más profundas, o para aquéllas en que se espera tener presiones muy grandes. 

Figura 8.2. Tipos de tablestacas comúnmente usadas para apuntalar los frentes de las excavaciones profundas. A) De alma plana. b) De alma curva. c) Con forma de Z. 

Cuando la excavación se ha profundizado unos cuantos metros, se insertan largueros y puntales, como se muestra en la fig. 8.3. Los largueros comúnmente son de acero, ylos puntales pueden ser de acero o de madera. Prosigue luego la excavación a un nivel inferior, y se instala otro juego de largueros y puntales. Este proceso continúa hasta que se termina la excavación. En la mayor parte de los suelos es aconsejable hincar las tablestacas varios metros abajo del fondo de la excavación para evitar los bufamientos locales. En algunos casos, con la porción hincada se elimina la necesidad de instalar un puntal en el fondo del corte. Es importante proporcionar apoyo vertical al apuntalamiento. Esto puede hacerse manteniendo postes abajo del sistema de apuntalamiento para que transmitan su peso al suelo inferior o sujetando el apuntalamiento a vigas que se extiendan a través del borde superior del corte.

En la mayor parte de los suelos, puede exponerse una cara vertical de varios metros cuadrados sin peligro de que el terreno sufra colapso. Entonces, puede ser posible eliminar las tablestacas para reemplazarlas con una serie de pilotes en H colocados con una separación de 1 a 3 m. Estos pilotes verticales, se hincan con sus patines paralelos a los costados de la excavación, como se muestra en la fig. 8.5b. Al quitar el suelo cercano a los pilotes, se introducen tablas, como se muestra en la figura y se acuñan contra el suelo que está fuera del corte. En general, al avanzar la profundidad de la excavación de un nivel a otro, se insertan largueros y puntales de la misma manera que para el forro de metal. 

Figura 8.3  Secciones transversales en apuntalamientos típicos de excavaciones profundas a) Frente entibando con tablestaca de acero b) Frente retenido por pilotes H y Forro

Si el ancho de una excavación profunda es demasiado grande para que permita el uso económico de puntales a través de toda la excavación, pueden usarse puntales inclinados, siempre que exista el apoyo adecuado para ellos. En algunos casos, es posible excavar la porción central del lugar a su máxima profundidad y colar parte de la cimentación. Después, la parte terminada de la cimentación sirve de apoyo a los puntales inclinados o rastras que se requieren cuando se excava el resto. Este procedimiento se muestra en la fig. 8.4.

Como alternativa del apuntalamiento transversal o de los puntales inclinados, con frecuencia se usan tirantes. De acuerdo a un sistema, mostrado en la fig. 8.5  se hacen agujeros inclinados en el suelo fuera

del ademe o de los pilotes H; en terreno favorable se hace una ampliación o campana en el extremo del agujero. Luego se coloca el refuerzo que va a trabajar a la tensión y se llena de concreto la perforación. Usualmente, cada tirante se preesfuerza antes de aumentar la profundidad de la excavación. El equipo y los métodos para perforar son semejantes a los usados en la perforación de las pilas.

Algunas veces, es preferible completar los muros exteriores de una estructura antes de quitar el material en el espacio ocupado por los sótanos. Los muros se construyen en zanjas angostas apuntaladas, como se muestra en la fig. 8.6. Después, cuando se han terminado los muros y el sistema de piso se ha construido arriba, puede excavarse el bloque de suelo que queda entre las paredes. El piso proporciona el apuntalamiento para la parte superior de las paredes y puede insertarse el apuntalamiento adicional necesario cuando la excavación progrese.

Ocasionalmente, los muros exteriores se construyen en una zafia llena de lodo o de un líquido denso de arcilla en suspensión semejante al lodo de barrenación (art. 5.2). El lodo estabiliza las paredes de la zanja y permite la excavación sin necesidad de ademe o de apuntalamiento. Las armaduras del refuerzo se bajan en el lodo que se desplaza con concreto colocado con trompa de elefante. Se necesita equipo especial para las diferentes operaciones, y las ocasionales imperfecciones deben anticipar- se y repararse. Aunque es más común en Europa, el método se ha usado en varias obras en Norte América, incluyendo el World Trade Center en la ciudad de Nueva York, donde los muros se construyeron en zanjas de lodo que estaban soportadas por un sistema de tirantes.

Entibamiento y Apuntalamiento en las Excavaciones poco Profundas.

Muchas áreas de los edificios por construir se prolongan hasta los linderos de la propiedad o son adyacentes a otras en los que ya existen estructuras. Bajo estas circunstancias, los frentes de las excavaciones deben hacerse verticales y usualmente requieren ademe. En la práctica, se usan varios métodos para ademar.

Si la profundidad de la excavación no es mayor de 4 m, comúnmente se acostumbra hincar tablones verticales alrededor del límite de la excavación propuesta. a los que se llama forro. La profundidad a la que se hinca el forro se mantiene cerca del fondo al avanzar la excavación. El forro se mantiene en su lugar por medio de vigas horizontales llamadas largueros, que a su vez están soportados generalmente por puntales horizontales que se extienden de costado a costado de la excavación. Los puntales son usualmente de madera, pero, si la excavación no tiene más de aproximadamente 1.5 m de anchura, se usan comúnmente tubos metálicos que se pueden alargar llamados puntales para cepas. Si la excavación es demasiado ancha para poder usar puntales que se extiendan a lo largo de todo el ancho, los largueros pueden apoyar- se en puntales inclinados llamados rastrillos o rastras. Para su uso se requiere que el suelo en la base de la excavación sea lo suficientemente firme para que dé el soporte adecuado a los miembros inclinados.

En la fig. 8.1, se muestran dos formas típicas para el apuntalamiento a poca profundidad.

Figura 8.1. Métodos Comunes para apuntalar los trenes de las excavaciones poco profundas.

Excavaciones a Cielo Abierto con Taludes sin Apuntalar.

Las excavaciones poco profundas pueden hacerse sin sostener el material circunvecino, si existe el espacio adecuado para construir taludes que puedan soportar al material. La inclinación de los taludes es función del tipo y carácter del suelo o roca; de las condiciones climáticas; de la profundidad de la excavación y del tiempo que la excavación vaya a permanecer abierta. Como regla, los taludes se hacen tan parados como el material lo permita, porque la ocurrencia de pequeños derrumbes generalmente no tiene importancia. El costo de extraer el material afectado por los derrumbes puede ser considerablemente menor que el de la excavación adicional, necesaria para tener taludes menos inclinados.

Los taludes menos inclinados que pueden usarse en una localidad dada se determinan por experiencia. La mayor parte de las arenas tienen pequeñas cantidades de material cementante, o aparentan un cierto monto de cohesión debido a la humedad que contienen. Esta cementación o cohesión no garantiza la seguridad de los taludes expuestos permanentemente, aun que suelen ser útiles, mientras la excavación está abierta. 

Aunque los taludes permanentes en los suelos arenosos rara vez son más escarpados que 1 por 1/2, no son raros los de por 1 en construcciones más provisionales.

El talud máximo que un suelo arcilloso puede soportar es función de la profundidad del corte y de la resistencia al esfuerzo cortante de la arcilla. Si la arcilla es blanda, abajo del nivel de la base de la excavación, pueden ser necesarios taludes más inclinados para evitar el bufamiento del fondo. Además, las arcillas rígidas o duras comúnmente poseen o desarrollan grietas cerca de la superficie del terreno. Si estas grietas se llenan de agua, la presión hidrostática reduce mucho el factor de seguridad y puede producir fallas en los taludes. El agua en las grietas también reblandece la arcilla progresivamente, de manera que es probable que la seguridad del talud disminuya con el tiempo. Por estas razones, se usa con frecuencia el apuntalamiento para soportar los frentes de las excavaciones en arcilla, aunque pueda sostenerse por poco tiempo la arcilla a la altura necesaria sin apoyo lateral.

Excavaciones y Ademes.

Introducción.- Las cimentaciones de la mayor parte de las estructuras se desplantan abajo de la superficie del terreno Por lo tanto, no pueden construirse hasta que se ha excavado el suelo o roca que está arriba del nivel de la base de las cimentaciones.

Ordinariamente, el ingeniero especialista en cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de excavación en un lugar dado, ni de diseñar el apuntalamiento, si se necesita. Se considera que esta operación corresponde al contratista. Sin embargo, generalmente es obligación del ingeniero aprobar o recusar el procedimiento de construcción propuesto por el constructor y revisar el proyecto del apuntalamiento. Al ejercer estas funciones, solamente concierne al ingeniero comprobar que los procedimientos propuestos permitan hacer la construcción satisfactoria de la estructura; y ordinariamente se presume que no va a ordenar la manera en que debe efectuarse la construcción.

En los trabajos grandes o complicados, puede ser imposible preparar un proyecto sin decidir también el método de construcción. Cuando los procedimientos de proyecto y de construcción estén tan íntimamente relacionados que deban considerarse como una unidad, el ingeniero está obligado a especificar el método de construcción y posiblemente a proyectar el apuntalamiento.

En los suelos permeables, para hacer excavaciones abajo del nivel del agua freática, usualmente se requiere desaguar el lugar antes o durante la construcción. En este capítulo, se supondrá que el nivel del agua freática está normalmente abajo del fondo de la excavación, o que temporalmente se ha abatido. Las técnicas de drenaje se estudiarán en el capitulo siguiente.

Además, en este capitulo solamente se estudiarán los aspectos generales de la excavación y las maneras de soportar sus costados o los cortes. En la parte C se estudiarán los detalles o modificaciones adecuadas en conexión con condiciones específicas de cimentación o con los tipos de estructuras, y en la parte D se desarrollará el proyecto estructural de ciertos sistemas de entibamiento y apuntalamiento.

Tipo de Cimentaciones y Métodos de Construcción.

Uno de los requisitos para tener éxito en la práctica de la ingeniería de cimentaciones, es el conocimiento adecuado de las propiedades mecánicas de suelos y rocas, materiales naturales de que dependen las estructuras que construyen los ingenieros como apoyo. La parte A trató de este aspecto de la preparación del ingeniero. 

Un segundo aspecto igualmente importante, a los tipos de cimentaciones comúnmente usados y a los métodos de construcción. Aquí, la tradición, la experiencia, y la competencia industrial han jugado un papel más importante que la ciencia, y parcialmente por esta razón, se considera con acierto que la ingeniería de cimentaciones es un arte. 

Bajo la influencia de factores económicos, como los costos relativos de la mano de obra y de los materiales, han surgido algunos tipos de cimentaciones y ciertos procedimientos de construcción que se han eneralizado en los Estados Unidos y Canadá. Estos procedimientos se describen brevemente en las páginas siguientes. 


Aunque las innovaciones y el progreso en el estado del arte no justifican una posición pesimista, las operaciones que se apartan de los métodos comúnmente aceptados deben adoptarse cautelosamente, porque los equipos que no son los ordinarios pueden resultar costosos y los procedimientos a los que no están acostumbrados los trabajadores y sus supervisores, pueden resultar difíciles de llevar a la práctica.

El amplio tema del hincado de pilotes al golpe se considera detalladamente, porque muchos de los procedimientos y principios expuestos son aplicables a las cimentaciones piloteadas en todos los tipos de suelos y con toda clase de pilotes. En la parte C, se estudia la selección y evaluación de las cimentaciones piloteadas para cada condición particular del subsuelo.

Conclusiones de la exploración de Suelos.

Sin importar lo completo que el programa de exploración y pruebas del suelo pueda ser, siempre existirá un gran margen de incertidumbre con respecto a la naturaleza exacta de las condiciones del subsuelo en un lugar dado. Este hecho es de gran importancia práctica, pues hace que el proyecto de la cimentación sea fundamentalmente diferente de otras ramas del proyecto estructural. El ingeniero no puede proceder como lo hará con materiales que tienen propiedades bien definidas, como el acero, el concreto o la madera. Aunque estos últimos materiales no son perfectamente uniformes, casi siempre pueden considerar- se así en el proyecto. El especialista en cimentaciones frecuentemente tiene que esperar para obtener las conclusiones finales con respecto a las condiciones del suelo, a poder observar lo que sucede en el campo, y debe utilizar cualquier evidencia por pequeña que sea. Las pruebas de suelos ejecutadas en unas cuantas muestras tomadas en un depósito errático no proporcionan una buena base para el proyecto, debido a que el ingeniero está interesado en el comportamiento del depósito en conjunto, antes que en el de unas cuantas muestras tomadas en él.

En el estudio de los procedimientos para proyectar cimentaciones que se desarrollan mas adelante, los depósitos naturales se agrupan de acuerdo con sus caracteristicas generales como arcilla y limo plástico, arena y limo no plástico, suelos susceptibles de colapso y suelos expansivos, suelos no uniformes, y rocas. En el estudio de cada grupo, se prestará particular atención a las incertidumbres que se presentan al evaluar el comportamiento probable del depósito con respecto a la capacidad de carga y asentamientos en las cimentaciones. Se destacará la importancia de estas incertidumbres en el establecimiento del tipo adecuado de cimentación para un tipo dado de deposito. Ademas, se presentarán métodos para seleccionar y proyectar cimentaciones sobre una base racional y económica, a pesar del obstáculo que proviene de las incertidumbres inevitables con respecto a las condiciones del subsuelo.