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.

Pueden reducirse aun más, pero con grandes gastos, usando aire comprimido. Asimismo, pueden obtenerse resultados semejantes hincando tubos gruesos de acero de gran diámetro, extrayendo el suelo por dragado, con chiflones, o por un proceso de lavado semejante al usado para hacer sondeos, o por medio de un chorro de aire comprimido.

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.

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.

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.

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 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.