ARCILLA: Asentamientos de zapatas y losas de cimentación.

Las zapatas situadas arriba de depósitos de arcilla blanda normalmente consolidada y de depósitos de limos plasticos, comúnmente se asienten excesivamente aunque las presiones en el suelo sean relativamente pequeñas. Puede estimarse la magnitud del asentamiento por los procedimientos descritos y en las secciones anteriores de este capítulo. Los cálculos se hacen suponiendo que la superestructura no tiene rigidez. Por lo tanto, los asentamientos diferenciales indicados por la predicción probablemente sean algo mayores que los que realmente ocurren. Sin embargo, se puede esperar que la predicción sea lo suficientemente confiable para permitir estimar al proyectista, si las deformaciones serán demasiado grandes en su estructura. Si lo son, debe, combinar sus zapatas formando una losa de cimentación de la resistencia y rigidez adecuadas, o bien proyectar su estructura con una cimentación pilotes o pilas.

Es probable que el asentamiento de las zapatas aisladas presente un patrón algo errático por la existencia de zonas blandas o duras que puedan existir bajo ellas. Si una losa de cimentación ejerce la misma presión en la arcilla, se transmiten esfuerzos debajo de la cimentación a una profundidad considerablemente mayor que debajo de la cimentación de zapatas, y las zonas blandas y firmes se compensan mucho más entre sí. En consecuencia el patrón de asentamientos de una losa es mucho más regular que el de una cimentación de zapatas en el mismo material y probablemente tomará una forma concoidal, con el mayor asentamiento cerca del centro.

El asentamiento de una losa en arcilla puede reducirse, aumentando su profundidad de desplante, incrementando así la cantidad de excavación. Frecuentemente es posible compensar todo el peso de la estructura con el peso del suelo excavado para los sótanos. De esta manera, se han construido con éxito estructuras sobre depósitos de arcilla muy blanda. A pesar de la completa compensación de carga, probablemente ocurran pequeños asentamientos debidos al bufamiento, y el subsecuente asentamiento de la arcilla durante la excavación y la recarga, o por el pequeño aumento en la compresibilidad, causado por la alteración de la estructura de la arcilla durante la excavación.

En algunos casos, una capa de arena compacta o de arcilla dura cubre un estrato potente de arcilla blanda. Puede proyectarse una estructura sobre zapatas que descansen en la arena o arcilla firme. La carga admisible en las zapatas, se determina a partir de las características del material que queda directamente debajo de ellas dentro de una profundidad igual al ancho de la zapata mayor. Sin embargo, toda la capa de arena o de arcilla firme, actúa como una losa natural y el asentamiento de la estructura en conjunto, depende del aumento del esfuerzo en el depósito blando y de la compresibilidad del mismo. La predicción del asentamiento puede hacerse por procedimientos semejantes a los usados en losas. Si los asentamientos diferenciales van a ser demasiado grandes para la estructura, la situación rara vez puede mejorarse cambiando el tamaño de las zapatas. Es necesario recurrir a una cimentación en la que las cargas estén compensadas por el peso del suelo excavado, o usar pilotes o pilas que se extiendan a través de la costra y los materiales compresibles inferiores hasta una base firme.

PROYECTO ILUSTRATIVO 18-2. Losa de cimentación en arcilla.

Varios de los principios que se refieren a la compensación total y parcial, y a sus relaciones con el factor de seguridad en las losas de cimentación sobre arcilla se ilustran el problema 18-2. La combinación de cargas elegidas para el proyecto es el peso del edificio, más la carga viva permanente. Para esta combinación se requiere un espesor Df de 6.26 m para la completa compensación, mientras que una profundidad de 4.72 m, proporciona un factor de seguridad de 3.

Los cálculos demuestran que, para una profundidad de 4.72 m, un incremento imprevisto en las cargas, de solamente el 25 por ciento, reduciría el factor de seguridad de la cimentación aproximadamente en un 50 por ciento. A la misma profundidad, el factor de seguridad se reduciría en forma desproporcionada a un valor ligeramente menor que la unidad, si las cargas se aumentaran 50 por ciento.

En este problema se ilustra también la importancia de la sobrecarga Df. Se ve que el factor de seguridad disminuye a la unidad, cuando se reduce la sobrecarga de 4.72 a L65 m. Si Df se redujera a cero, el factor de seguridad para las cargas de proyecto sería igual a 0.74, y ocurriría la falla.

Para cualquier cambio en la resistencia de la arcilla, todos los valores del factor de seguridad cakulados, cambian proporcionalmente. Estos cambios se ilustran en las curvas de la hoja 3 para diferentes valores de qu.

Los cálculos del problema son correctos, si el espesor de la arcilla blanda es igual cuando menos a 18.30 m.

Los depósitos de espesores menores y los de carácter heterogéneo, requieren un estudio especial.

Presión admisible del suelo para losas en arcilla.

Al determinar las dimensiones de las zapatas en arcilla, la capacidad de carga máxima neta se dividió por el factor de seguridad para obtener una presión admisible neta. Para un factor de seguridad igual a 3, este procedimiento da por resultado las ecs. 18.3 y 18.4 y la fig. 18.3. Los mismos principios son aplicables a losas en arcilla. Por lo tanto, puede expresarse el factor de seguridad, en función de la presión neta en el suelo como: 

donde qb es la presión global en el suelo o presión de contacto producida en la base de la losa por el peso del edificio y por la carga viva, y que, en el denominador de la ec. 18.5 se reduce a una presión neta restando

el peso de la sobre carga circunvecina, λDf.

De acuerdo con la ec. 18.5, el factor de seguridad es muy grande para losas desplantadas a las profundidades en que 7D1 es aproximadamente igual a qb. Cuando estos términos son iguales se dice que la losa está totalmente compensada. El factor teórico de seguridad contra la falla del subsuelo bajo estas circunstancias es infinito, siempre que no haya incertidumbre en la estimación de Las cargas o en la acción de λDf. Sin embargo, aun si fDf, es completamente efectivo, un aumento en la presión global del suelo q b posiblemente causado por cargas adicionales imprevistas en la cimentación, reduce el grado de compensación; además, la disminución en el factor de seguridad, está fuera de proporción con el aumento en las cargas. La ec. 18.5 demuestra también, que un error en la estimación del peso de la estructura, o en la carga viva tiene mayor influencia en el factor de seguridad para una arcilla débil que para una resistente.

Como para las zapatas en arcilla, el factor de seguridad contra falla de una arcilla debajo de una losa no debe ser menor que 3 bajo cargas normales, ni menor que 2 bajo las mayores cargas posibles. Así, en este caso puede usarse la fig. 18.3 para obtener la presión neta admisible en el suelo. Los valores de la fig. 18.3 pueden multiplicarse por las relaciones adecuadas para convertir las presiones a las correspondientes a factores de seguridad diferentes de 3. Como N y, en consecuencia, la presión admisible en el suelo sufren algo la influencia del espesor de la sobrecarga, la determinación de Df para la compensación parcial necesaria para obtener un cierto factor de seguridad, ha* blando estrictamente, debe hacerse con un procedimiento de tanteos. Sin embargo, el primer tanteo basado en una relación Df/B supuesta, es de ordinario suficientemente preciso.

Losas de cimentación en arcilla - Capacidad de carga máxima.

Capacidad de carga máxima. La presión máxima neta que puede soportar el suelo debajo de una losa, en un depósito grueso de arcilla o de limo plástico puede obtenerse de la misma manera que para las zapatas. La cantidad qd en la ec. 18.2, es la presión a la elevación del lecho inferior de la Josa, en exceso de la ejercida por la sobrecarga circunvencina. De la misma manera, en la ec. 18.4 y en la fig. 18.3, qa es la presión neta en el suelo. Al aumentar la profundidad de la excavación, la presión que puede aplicar con seguridad el edificio, se aumenta proporcionalmente. Esto puede lograrse aumentando el número o profundidad de los sótanos. 

Por otra parte, el área de la losa, en general no puede aumentarse apreciablemente con la intención de reducir la presión en el suelo, porque no es factible extenderla más de unos cuantos metros fuera del mismo edificio. 

Por lo tanto, si se va a construir una losa en un solar situado sobre una arcilla demasiado blanda para que proporcione apoyo al nivel normal del sótano, el único método práctico para proporcionar el factor de seguridad adecuado consiste en bajar la profundidad de la cimentación.

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.