Cimentaciones
Introducción • La estabilidad de un edificio depende de la capacidad portante del suelo donde este descansa. • La capacidad portante del suelo depende de su composición. • El suelo es formado por la descomposición química de piedras y de la acción del agua, aire y cambios en temperatura sobre ellas. Además de la pudrición de material vegetal y animal. • Aunque cada suelo y su composición es particular a un sitio, los tipos de suelos alrededor del mundo son similares.
C贸digo de cimentaciones de Costa Rica CCCR
Introducción. La diversidad de las tipos de suelo de origen residual o transportado, que se encuentran en el Valle Central y en otras regiones del país (muchos de ellos problemáticos desde el punto de vista ingenieril), combinada con la expansión socioeconómica, que conlleva al aumento en la cantidad y tamaño de las obras civiles, hacen cada vez más importante disponer de un buen conocimiento geotécnico acerca del medio en donde se cimentarán estas obras. Es necesario considerar, tanto en sus características y comportamiento, la normalización de los requisitos mínimos que se deben cumplir para su diseño. La falta de conocimiento del subsuelo ha producido, en numerosos casos, fallas importantes en obras, aumentos de los costos, atraso durante el proceso constructivo, colapso parcial, falla funcional e incluso pérdidas de vidas. Son frecuentes los problemas asociados con asentamientos importantes, empujes y baja capacidad de soporte, entre otros, que podrían detectarse a priori con tan solo un poco de atención sobre estas situaciones.
Por otra parte, las severas condiciones sísmicas que imperan en prácticamente todo Costa Rica, hacen imprescindible considerar sus efectos sobre las cimentaciones, sobre todo lo relacionado con amplificación de las ondas sísmicas, interacción suelo-estructura y la licuación de los suelos granulares finos saturados.
Tipos de suelo. Para efectos de definir un marco general de los tipos de suelos que comúnmente presentan problemas en el valle central, cabeceras de provincias y otros sectores en donde existen proyectos de ingeniería importantes, se presentan a continuación sus características geológicas y físico-mecánicas más usuales.
1. Arcillas de alta expansividad. Se trata de suelos transportados o residuales, típicamente de color negro, café, amarillento, gris oscuro o claro. Pueden originarse ya sea por la depositación, en áreas bajas, de materiales principalmente orgánicos. Su distribución geográfica en el territorio nacional es extensa. Sin pretender mencionar todos los sitios en donde aparecen estas arcillas y con el objeto de dar una idea general sobre su ubicación, se indican algunos de los sitios: sector sur del área metropolitana, Desamparados, Alajuelita, Escazú, Coyol de Alajuela, Lagos de Lindora, Pozos, entre otros. En Cartago aparecen hacia el sur del centro de la cuidad, principalmente asociadas a topografías planas. Fuera del Valle Central, se encuentran en Cañas centro y alrededores; así como en algunos sitios de Liberia, Filadelfia y Nicoya.
Según lo observado, los espesores de arcilla varían por lo general entre 0.5 y 4.0 metros. Bajo condiciones de cambios extremos de humedad, estas arcillas pueden generar presiones de hinchamiento de hasta 71.4 to/m2; lo cual las hace potencialmente capaces de levantar losas, pisos, pavimentos, dañar paredes, muros, tuberías, cajas, registros, entre otros. Tan peligrosa como la expansión, es también la capacidad de estas arcillas de contraerse y sufrir asentamientos cuando disminuye su humedad.
2. Limos de baja resistencia. Entre ellos pueden mencionarse los limos colapsables, cuyo comportamiento es especial, pues bajo saturación total su estructura puede fallar súbitamente aún al someterse a cargas bajas. Se tiene referencia de su existencia en algunas zonas de Coronado, Curridabat y Tres Ríos. También se pueden encontrar limos de baja resistencia en sitios como Alajuela, Grecia, Naranjo y en general en las faldas de los volcanes Poás, Barva, Irazú y Turrialba.
3. Rellenos artificiales.
Aunque no se trata de un tipo de suelo natural, se encuentra en numerosos sitios. Sus características pueden afectar profundamente las obras que se construyen sobre ellos. La existencia y utilización de rellenos mal construidos está muy difundida en nuestro medio. Las causas para que los rellenos sean problemáticos son numerosas, sin embargo, las más usuales son el uso de materiales heterogéneos inadecuados para hacer el terraplén (escombros, suelos orgánicos y de alta expansividad, etc), escasa energía de compactación y humedad muy diferente a la óptima.
En términos generales el problema de los rellenos artificiales se deriva de los siguientes factores: - Inadecuado análisis de estabilidad durante la etapa de diseño. - Deficiente preparación del terreno natural. - Escaso o nulo control de calidad durante el proceso constructivo. En muchas ocasiones, el problema es una deficiente preparación del terreno natural antes de iniciar el relleno (no se elimina la capa vegetal, falta de subdrenaje y banqueo en laderas empinadas, taludes muy empinados del terraplén, entre otros). El comportamiento problemático de los rellenos mal construidos se ha puesto en evidencia principalmente por el efecto de las lluvias y de los sismos, además de múltiples fallas de obras por asentamientos excesivos, deslizamientos y otros problemas asociados.
4. Suelos granulares finos de baja densidad. Este tipo de suelo está asociado principalmente a depósitos marinos, aluviales y eólicos, cuyos procesos de transporte los han dispuesto en alternancias de capas de arena finas, mal graduadas, de baja densidad, que combinadas con niveles freáticos cercanos a la superficie y bajo condiciones de sismos fuertes, puede perder su resistencia, y causar daños a las obras existentes. Este fenómeno llamado licuación o licuefacción puede producir otros problemas además de la pérdida de capacidad de soporte del suelo, como por ejemplo: corrimientos laterales, flujo de lodo, y oscilaciones del terreno.
Sin pretender definir todas las zonas con alto potencial de licuación, puede mencionarse que por sus características topográficas y geológicas, existe la amenaza de licuación en las zonas costeras del Caribe, en las llanuras aluviales de los ríos grandes, en donde predominan los suelos finos (limos y arenas), en algunas áreas de la costa pacífica, en particular en las llanuras de inundación, bancos de arena suelta, entre otros.
Problemas asociados al medio soportante. Según la magnitud de los proyectos, es necesario definir un marco geológico geotécnico regional apropiado. En muchos casos puede realizarse un estudio de suelos para la cimentación de una obra desconociendo que se trata de un sector regionalmente inestable, o con la presencia de fallas geológicas activas, cerca de áreas de inundación, con problemas de amplificación de las ondas sísmicas, entre otros. Este contexto se debe conocer para poder hacer recomendaciones realistas y útiles al diseñador estructural. El sistema de cimentación que se vaya a emplear deberá ser congruente con las características del medio soportante y sus problemas asociados. En terrenos granulares (arenas) se deben estudiar con detalle los posibles asentamientos inmediatos que ocurran durante la construcción o por las vibraciones inducidas por sismos. En regiones de arenas sueltas, mal graduadas y sumergidas, deben considerarse los posibles efectos de la licuación.
Por su frecuencia, cobra especial interés el análisis de los problemas de los asentamientos a largo plazo (por consolidación) en terrenos arcillosos blandos, o los efectos adversos de la inestabilidad volumétrica de las arcillas expansivas. Los fenómenos de los asentamientos inmediatos debidos al colapso de la estructura del suelo, son típicos en regiones de limos con finos poco plásticos. El colapso se debe a la pérdida de resistencia que esta asociada al humedecimiento repentino del suelo, el cual reduce las fuerzas capilares o cementantes, con el consecuente colapso de la estructura interna del suelo. Estos asentamientos pueden ser de gran magnitud y causar daños irreparables a la obra. No deben olvidarse tampoco los fenómenos de amplificación de las ondas sísmicas y en general los efectos de mal comportamiento dinámico del suelo durante los sismos. Esta situación puede ocurrir en regiones con suelos arcillosos suaves o arenas sueltas, o por irregularidades topográficas del terreno.
Movimiento de Suelos (deformación) • Todos los edificios están sujetos a los movimientos del suelo, excepto los que se encuentran sobre la capa pétrea (Bedrock) del terreno. • Debe controlarse el asentamiento para que la carga del edificio se distribuya uniformemente. – Esto evita grietas, fallas o derrumbes.
• El asentamiento puede durar por varios años dependiendo del periodo de consolidación del terreno, de su contenido de humedad o movimientos sísmico de la misma tierra. • El congelamiento del suelo puede ocasionar esfuerzos adicionales en una estructura. – Los cimientos deben colocarse por lo menos 1 pie (30cm) por debajo de la línea de congelación (Frost Line) para evitar estos esfuerzos.
Movimiento de Suelos (deformación) •
Al aplicarse una carga en el suelo puede reaccionar en tres formas: 1. Compresión elástica (como en una alfombra de goma). 2. Consolidación (al salir el agua y el aire por compresión). 3. Fluencia de las partículas del terreno.
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El movimiento de suelos es una condición prevaleciente en los subsuelos arcillosos. – –
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Esta expande y encoje grandemente con el contenido de humedad. A profundidad de 1.5 metros o mas los movimientos serán menores.
Las capas de suelos en pendientes tienden a comportarse como una masa cuando se someten a lluvias excesivas.
Efectos del Agua en los Suelos
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La propiedad de un suelo se clasifica como: 1. Sólidos – Tienen densidad constante y son muy poco afectados por cambios en temperatura, humedad o vibración mientras el terreno no sea perturbado. 2. Viscoso – Cuando fluyen. 3. Plástico – Cuando resisten cambio en volumen. 4. Fluidos – Resisten cambios en volumen, fluyen en mayor grado que el viscoso.
Efectos del Agua en los Suelos
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El agua puede encontrarse en un suelo de varias formas: 1. Capilar (en poros) 2. Superficial (película que envuelve las partículas y que es removido por hornos) 3. Absorbidas (no removibles por horno)
El Nivel Freรกtico
El Nivel Freático • El nivel freático es el termino que se aplica al nivel bajo el cual todos los suelos se encuentran saturados de agua. • Factores que afectan el nivel freático: – El nivel freático sigue el contorno del terreno. Se encuentra a un nivel mas profundo en los montes y montañas y mas cercano a la superficie en áreas llanas. – El agua de lluvia percola en el terreno reabasteciendo el nivel freático. – El nivel freático varia con la cantidad de lluvia.
El Nivel Freático – Los manantiales ocurren cuando depresiones en el terreno colocan el nivel de tierra por debajo del nivel freático. – El flujo de agua bajo el nivel freático es siempre en dirección a niveles mas bajos.
• La presión hidrostática puede ser suficiente alta como para ocasionar que un edificio “suba” por flotación de aquellas partes del edificio que se encuentren bajo el nivel freático.
Sistemas de Drenaje • Se deben desviar las aguas cercanas a las zapatas. – Se utilizan tuberías de drenaje con diámetros de 10 ó 15cm rodeadas de grava o suelos porosos. – Se colocan 15cm como mínimo por debajo del nivel de loza de piso mas bajo. Camisilla Tierra Grava Fina
Pared Losa de Piso
Grava Gruesa Tubería Drenaje
Tubo perforado 6” Agua
Zapata
Tubo Ranurado
Sistemas de Drenaje • El drenaje de aguas superficiales se logra alejándolas de las estructuras. – Se logra manipulando los niveles de la topografía. • Creando pendientes y nivelando el terreno.
– Utilizando cunetas de calle, canales y canalones con pendiente mínimas del 1%. – Las aguas se recogen y desaguan en drenajes de rejillas y alcantarillas que conecta a los sistemas pluviales subterráneo; debajo del nivel de calle. Sumidero sinfónico (Floor Drain)
20’-0”
(20 x 1/8” = 21/2”) 21/2” mínimo
Sistemas de Drenaje
Ejemplos de c贸mo se desv铆an las aguas en las construcciones.
Compactación de Suelos • Se compacta el suelo para evitar que ocurran asentamientos o subsidencia. • El proceso incluye la remoción de agua y aire por compresión. • En la Compactación se logra una densidad optima reduciendo la fricción intergranular mediante la adición controlada de agua para lograr la densidad optima. • Los rellenos de nivelación se especifican a un 95% de la densidad optima.
Compactación de Suelos • Las capas del subsuelo, su capacidad portante y su relación al contenido de agua son el mayor interés para el ingeniero de suelos. • Un suelo grueso mal graduado aunque varíe el contenido de agua el peso volumétrico seco del material no cambia mucho. • La granulometría influye en el comportamiento de los suelos gruesos compactados. • A medida que la granulometría mejora, los huecos se hacen más pequeños y, por lo tanto, desde este punto de vista se asemeja a un suelo fino en donde la influencia del agua es fundamental.
Compactación de Suelos • Cualquiera que sea la forma de compactar los suelos gruesos se debe tomar en cuenta dos peligros: – El primero de ellos es que a medida que se compacta el suelo grueso su rigidez aumenta y la tendencia a la falla frágil se incrementa. – El otro peligro consiste en que el suelo grueso adquiera una cierta deformación a partir de la cual se comporta como plástico, pues en ese caso cambia de forma mas no de volumen y si está situado en una zona sísmica puede producir el fenómeno de licitación.
• Se piensa que la resistencia de un suelo fino arcilloso se incrementa notablemente al compactar; pero aun cuando se varíe el contenido de agua, la resistencia prácticamente permanece constante siempre que la deformación inducida sea relativamente grande.
Compactación de Suelos • En general no se puede asumir que al aumentar la compactación de un suelo fino arcilloso necesariamente debe incrementarse la resistencia del suelo. • En términos generales al compactar una arcilla con una humedad mayor a la óptima tiende a disminuir su permeabilidad; una posible aplicación de este hecho es la tendencia a orientarse de las partículas laminares que constituyen la arcilla, esta tendencia se incrementa si se utiliza un sistema de compactación de amasado (pata de cabra) pero no siempre es conveniente compactar al máximo las arcillas.
Compactación de Suelos •
Métodos de compactación: 1. Compactación mediante el uso de una compactadora de tacos con pesos de 5 a 15 toneladas (Sheeps Foot Roller). 2. Compactación pneumática de mano. 3. Rodillos de acero para la compactación de la superficie final. 4. Compactación por medio de sobrecarga. 5. Compactación por medio de detonaciones con explosivos. 6. Compactación por vibro-flotación con agua y arena.
Compactaciรณn de Suelos โ ข Ejemplos de equipo usados en la compactaciรณn.
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Estabilización de suelos Se estabiliza el suelo para densificar suelos sueltos para mejorar su fuerza y capacidad portante. Se logra mezclando la tierra con otros materiales como: 1. Cal – Para suelos arcillosos expansivos. 2. Sal – Para estabilizar las camas bases para carreteras, estacionamientos y otras áreas de rodaje. 3. Cemento – Para todo terreno con alta cantidad de materiales arcillosos. Se utiliza cemento portland.
Estudios de suelos.
Generalidades. Un estudio de suelos involucra la aplicación de procedimientos y técnicas especializadas. La tarea principal que se debe realizar consiste en la evaluación de las características físicomecánicas del suelo con el fin de ofrecer las recomendaciones geotécnicas necesarias para la factibilidad técnica, diseño, construcción o mantenimiento de una obra civil. Es recomendable la realización de estudios de suelo para edificaciones: viviendas, edificios para comercio o industria de cualquier tamaño, movimientos de tierra, rellenos, muelles, estructuras de contención, puentes, viaductos, excavaciones, caminos y en general, cualquier obra que modifique el entorno donde se localice. Los estudios de suelos se deben dar desde las etapas iniciales de la obra y extenderse hasta la verificación del funcionamiento real de lo construido.
Naturaleza del proyecto. El alcance y procedimientos de las investigaciones en suelos y/o cimentaciones varían desde muy simples hasta muy complejos. Se relacionan sobre todo con los requerimientos estructurales, tipo de obra, dimensiones, aspectos legales, constructivos y con las condiciones propias del medio. De esta manera, la importancia relativa de unos factores sobre otros puede variar de un sitio a otro y de una obra a otra. El desarrollo progresivo de los estudios para la cimentación de una obra, puede dividirse en las siguientes cuatro etapas: a. Estudios preliminares. b. Estudios para el diseño y construcción. c. Estudios de comprobación. d. Estudios de seguimiento.
a. Estudios preliminares. Esta categoría incluye los estudios de reconocimiento y viabilidad técnica, cuya intención principal es la de tener un conocimiento al nivel requerido, antes de proceder a realizar estudios más detallados para el diseño y construcción.
b. Estudios para el diseño y construcción. Intervienen aquí aspectos como el costo y tipo de obra, su magnitud, ubicación e importancia estructural.
c. Estudios de comprobación. Este tipo de estudio tendrá como objetivo comprobar el modelo geotécnico establecido a partir de los estudios preliminares o los de diseño y construcción, así como las premisas utilizadas en el diseño con relación a las propiedades y el comportamiento de los materiales localizados en la obra. d. Estudios de seguimiento. Se incluyen en esta categoría aquellos estudios tendientes a comprobar el funcionamiento real de una estructura y su posible influencia sobre el medio donde se ubica. Se ejecutan una vez que la estructura ha entrado en operación.
Modelo geotécnico. La exploración tiene como objetivo definir el modelo geotécnico, que incluye: conocer la estratigrafía del subsuelo y la profundidad (o la posición) del nivel freático, permitir la evaluación de las propiedades físico-mecánicas de los diferentes tipos de materiales encontrados y los efectos recíprocos entre el medio y la estructura propuesta. La exploración nunca es lo suficientemente explícita como para explicar todos los fenómenos que pueden aparecer en el medio soportante. Su alcance estará condicionado por la disposición y el tipo de material del subsuelo y el tipo de obra considerada. Se pretende, en términos generales, conocer los diferentes estratos del suelo a un grado práctico (su extensión, espesor, localización, influencia del nivel freático y otra estructuras, en planta y perfil).
La estratigrafía se determina por medio de perforaciones con recuperación de muestras. Esto puede ser complementado con pozos y trincheras de exploración. El número de perforaciones, distribución y espaciamiento dependen tanto de las condiciones del sitio como de las características de la obra. Los sondeos exploratorios se deben distribuir lo mejor posible en el terreno que se va a investigar de tal manera que se pueda obtener un modelo espacial adecuado y que indique la geometría y las características de los materiales involucrados.
Pruebas de laboratorio. Los ensayos de laboratorio que usualmente se realizan dentro del ámbito de la ingeniería geotécnica y de los materiales, pretenden caracterizar desde el punto de vista físico y mecánico cada material que conforma el subsuelo. Los ensayos se pueden hacer sobre muestras alteradas o sobre muestras inalteradas. En cada caso se pretende que la prueba se ejecute siguiendo un procedimiento adecuado que refleje las condiciones tanto del suelo como de la interacción suelo-estructura. El tipo y número de ensayos dependen de las características propias de los suelos por investigar y del criterio del ingeniero.
Ensayo SPT. • El ensayo de penetración estándar o SPT (del inglés standard penetration test), es un tipo de prueba de penetración dinámica, empleada para ensayar terrenos en los que se quiere realizar un reconocimiento geotécnico. • Constituye el ensayo o prueba más utilizado en la realización de sondeos, y se realiza en el fondo de la perforación. • Consiste en medir el número de golpes necesario para que se introduzca una determinada profundidad una cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diámetro exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros, lo que supone una relación de áreas superior a 100), que permite tomar una muestra, naturalmente alterada, en su interior. El peso de la masa está normalizado, así como la altura de caída libre, siendo de 63'5 kilogramos y 76 centímetros respectivamente.
Descripción del ensayo SPT. • Una vez que en la perforación del sondeo se ha alcanzado la profundidad a la que se ha de realizar la prueba, sin avanzar la entubación y limpio el fondo del sondeo, se desciende el tomamuestras SPT unido al varillaje hasta apoyar suavemente en el fondo. Realizada esta operación, se eleva repetidamente la masa con una frecuencia constante, dejándola caer libremente sobre una sufridera que se coloca en la zona superior del varillaje. • Se contabiliza y se anota el número de golpes necesarios para hincar la cuchara los primeros 15 centímetros (N0 − 15). • Posteriormente se realiza la prueba en sí, introduciendo otros 30 centímetros, anotando el número de golpes requerido para la hinca en cada intervalo de 15 centímetros de penetración (N15 − 30 y N30 − 45). • El resultado del ensayo es el golpeo SPT o resistencia a la penetración estándar: • NSPT = N15 − 30 + N30 − 45 • Si el número de golpes necesario para profundizar en cualquiera de estos intervalos de 15 centímetros, es superior a 50, el resultado del ensayo deja de ser la suma anteriormente indicada, para convertirse en rechazo (R), debiéndose anotar también la longitud hincada en el tramo en el que se han alcanzado los 50 golpes. El ensayo SPT en este punto se considera finalizado cuando se alcanza este valor. (Por ejemplo, si se ha llegado a 50 golpes en 120 mm en el intervalo entre 15 y 30 centímetros, el resultado debe indicarse como N0 − 15 / 50 en 120 mm, R).
Ventajas del SPT • Una ventaja adicional es que al ser la cuchara SPT un tomamuestras, permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y realizar ensayos de identificacion, y en el caso de terreno arcilloso, de obtención de la humedad natural.
Aplicaciones y correlaciones •
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El ensayo SPT tiene su principal utilidad en la caracterización de suelos granulares (arenas o gravas arenosas), en las que es muy difícil obtener muestras inalteradas para ensayos de laboratorio. Al estar su uso muy extendido y dispone de una gran experiencia geotécnica en estas pruebas, se han planteado correlaciones entre el golpeo SPT y las características de los suelos arenosos, así como con diversos aspectos de cálculo y diseño geotécnico. También existen correlaciones en el caso de que el terreno sea cohesivo, pero al ser un ensayo prácticamente instantáneo, no se produce la disipación de los incrementos de presiones intersticiales generados en estos suelos arcillosos por efecto del golpeo, lo que claramente debe influir en el resultado de la prueba. Por ello, tradicionalmente se ha considerado que los resultados del ensayo SPT (y por extensión, los de todos los penetrómetros dinámicos) en ensayos cohesivos no resultan excesivamente fiables para la aplicación de correlaciones. En la actualidad, este criterio está cuestionado, siendo cada vez más aceptado que las pruebas penetrométricas pueden dar resultados igualmente válidos en todo tipo de suelo. En cualquier caso, al margen de la validez o existencia de correlaciones, el valor del golpeo obtenido en un ensayo de penetración simple es un dato indicativo de la consistencia de un terreno susceptible de su utilización para la caracterización o el diseño geotécnicos. Cuando el terreno atravesado es grava, la cuchara normal no puede hincarse, pues su zapata se dobla. Con frecuencia se sustituye por una puntaza maciza de la misma sección (no normalizada). El ensayo SPT no proporciona entonces muestra.