De las consideraciones sobre suelos de fundación se desprende la conveniencia de proteger la sección estructural de los pavimentos asfálticos, de los efectos del agua exterior que pudiera penetrar en ella. Por su elevado costo es imposible eliminar completamente la presencia indeseable de los finos arcillosos, por este motivo resulta más conveniente efectuar adicionalmente obras de protección contra el agua exterior, para garantizar que la práctica de eliminación de finos funcione adecuadamente en lo general, y añadir obras especiales de protección en aquellos lugares en los cuales las condiciones del flujo interno de agua hagan que el criterio general establecido resulte insuficiente.

Situaciones de este tipo suelen presentarse en laderas inclinadas donde se ejecutan cortes, especialmente en cajón; en estos casos convendrá analizar la posibilidad de incorporar la construcción de subdrenes, para proteger adecuadamente a la sección estructural.

Pavimentos y suelos de fundación (Parte V)

Por razones económicas, no es posible eliminar completamente la presencia de suelos finos de la sección estructural de una carretera, pero debe tenerse muy en cuenta que las investigaciones de la Mecánica de Suelos indican que contenidos relativamente muy pequeños de arcilla, formando parte de una matriz de suelo grueso, bastan para dar a esa matriz un comportamiento indeseable, haciéndola compresible y expansiva. El límite en el contenido de finos depende de la actividad de la arcilla.

Los análisis exigidos para determinar la actividad de los suelos arcillosos hace prácticamente imposible el investigar la naturaleza de los finos dentro del proceso industrial de construcción de una carretera, por lo cual el contenido de finos suele controlarse limitando el porcentaje de partículas que pasan el tamiz No. 200.

La investigación desarrollada dentro de la tecnología de la Mecánica de Suelos hace ver las grandes diferencias que produce la inclusión de finos arcillosos en una matriz de gravas utilizadas en bases y sub-bases de pavimentos asfálticos, según sea la actividad y la naturaleza de las arcillas incorporadas, pero, a la vez, muestra también que contenidos de finos por debajo del 10% del total, no tienen una influencia determinante en la resistencia y en la deformabilidad del conjunto, que mantendrá un comportamiento que básicamente puede considerarse como el de un suelo grueso. Contenidos superiores a ese valor le dan al suelo un comportamiento notablemente indeseable, de manera que contenidos de materiales arcillosos en el orden del 12%, ya inducen a un comportamiento que corresponde al de un suelo fino.

Por tanto, el contenido de materiales finos que pasan el tamiz No. 200, en cualquier matriz de suelo grueso que se utilice en las capas superiores de una carretera (bases y sub-bases), no debe exceder de un 10%. Este valor debe reducirse a la mitad en las carpetas asfálticas. Además debe tenerse en cuenta que no menos de un 4% ó 5% de partículas finas van a ser aportadas por la propia fracción gruesa, como resultado de los procesos usuales de trituración, por este hecho se debe reducir, en la misma proporción, el contenido de materiales puramente arcillosos.

En las subrasantes de carreteras puede haber una mayor tolerancia, aceptándose contenidos de finos que pasan el tamiz No. 200 hasta un porcentaje del 15%, en las carreteras más ocupadas, y hasta un 25% en aquellas de menor ocupación.

El contenido de materiales finos y sus efectos en las secciones estructurales de las carreteras, también deben controlarse con la medición del índice de plasticidad de la fracción que pasa la malla No. 40. El valor del límite líquido no debe ser mayor a 25% y 30% en bases y sub-bases, y no mayor a 50% en subrasantes.

El empleo prudente de los materiales térreos con límites adecuados en el contenido de materiales finos arcillosos, permite el empleo de estándares de compactación adecuados, para dar a las capas de la sección estructural de una carretera la consistencia necesaria, de manera que se garantice la permanencia de sus propiedades durante su vida de servicio.

Pavimentos y suelos de fundación (Parte IV)

Naturalmente, un cierto grado de compactación inicial es necesario, pero siempre ocurrirá que cuanto mayor sea ese proceso inicial, mayor será el potencial de succión comunicado y, por ende, también será mayor el potencial de expansión adquirido con absorción de agua; el cual al desarrollarse producirá un suelo maleable de fácil deformación por la compresión de cualquier nueva carga. Esta deformación producirá un “efecto de acordeón”, cuyas consecuencias serán altamente perjudiciales para la carretera.

Estas consideraciones hacen ver la importancia del proceso de compactación de suelos finos. Si no se alcanzan en principio condiciones adecuadas, la carretera será inestable, pero si la compactación es mayor a un determinado límite, la carretera también llegará a ser inestable con el transcurso del tiempo, si es que los materiales están en contacto con el agua libre exterior.

Las consideraciones anteriores conducen a la conclusión de que los suelos arcillosos son indeseables en el cuerpo general de las carreteras y, desde luego, en cualquier capa de la sección estructural de su pavimento. Sin embargo, razones constructivas y económicas obligan a una cierta presencia de suelos finos, la cual debe ser mínima y cuidadosamente tratada.

En efecto, el material que se desea para construir carreteras está constituido por suelos gruesos, pero resultaría antieconómico e innecesario eliminar por completo a los finos, con el avance actual de las técnicas constructivas, habrá que coexistir con un cierto volumen de éstos, teniendo presente, que cuanto más abajo se ubiquen los suelos finos, el impacto proveniente de las cargas del tráfico será menor, de manera que su presencia será menos nociva. Por ello, la tecnología tradicional exige el uso de suelos gruesos casi puros en las capas bases y sub-bases del pavimento, y va aceptando contenidos crecientes de suelos finos en subrasantes y terracerías.

Pavimentos y suelos de fundación (Parte III)

En los suelos finos parcialmente saturados, la presión externa produce deformaciones que disminuyen los vacíos, comunican presión al agua interior, que se desplazará hacia el exterior, ocasionando deformaciones volumétricas grandes. Las estructuras precomprimidas, al cesar la presión externa y absorber agua, tienden a disipar los estados de tensión superficial actuantes entre el agua que ocupaba parcialmente los vacíos y las partículas cristalinas del suelo, liberando energía que permite que la estructura sólida precomprimida se expanda, de manera que los suelos arcillosos son muy proclives a la compresión bajo cargas y a la expansión, cuando al cesar la acción de cualquier carga exterior, se produce la liberación de sus esfuerzos y comienza a actuar la succión interior del agua externa.

En cualquier caso la estabilidad volumétrica de los suelos finos está amenazada y pueden ocurrir en ellos deformaciones volumétricas muy importantes: De compresión, a expensas de su gran volumen de vacíos y de la salida del agua interior por efecto de las cargas exteriores, o de expansión, a causa de la succión interna que produce la expansión de la estructura sólida, que absorbe agua del exterior.

La magnitud de estos fenómenos (compresión de la estructura bajo carga externa o expansión de una estructura precomprimida por liberación de presión externa y absorción de agua), depende de la naturaleza del suelo arcilloso. Hay arcillas como la bentonita o la montmorillonita, mucho más activas en estos procesos que otras, como por ejemplo, la caolinita. Este cambio en la naturaleza físico-química y mineralógica influye en el comportamiento de interrelación de las partículas y los grumos, que se traduce en diferencias muy importantes en la relación de vacíos o vaporosidad de su estructura interna. Algunas arcillas pueden tener una relación de vacíos de 2, 3 ó 4 (volumen de vacíos 2, 3 ó 4 veces más grande que el volumen de los sólidos), lo cual representa una capacidad de deformación volumétrica mucho mayor. Por razones constructivas, las arcillas se incorporan en los suelos que se utilizan en las carreteras, tras procesos de compactación, lo que hace que estén precomprimidas, por lo que serán proclives a procesos de succión de agua externa y/o expansión, en un grado mayor cuanto más intensa haya sido la compactación con que se colocaron.

Pavimentos y suelos de fundación (Parte II)

Para cualquier solicitación se cumple que a mayor presión ejercida sobre el conjunto de partículas por las cargas exteriores, la resistencia del conjunto crece, tal como establecen las leyes de fricción. Evidentemente, cualquier aumento en la compacidad del conjunto trae consigo un aumento en su resistencia intrínseca y al reacomodo. En caso de producirse algún deslizamiento o reacomodo entre partículas, debido a elevados esfuerzos, la deformación ocasionada es de magnitud relativamente pequeña. Un material de esta naturaleza bien compactado, adquiere características de resistencia y difícil deformabilidad, permanentes en el tiempo y muy poco dependientes del contenido de agua que el material adquiera con el transcurso del tiempo. Estas características son favorables para el desempeño estructural de las carreteras.

El caso de los suelos finos arcillosos, su tendencia a adoptar estructuras internas abiertas, con alto volumen de vacíos, hace que estos suelos tengan una capacidad de deformación mucho más alta. Si se ejerce presión sobre suelos finos saturados se puede ocasionar un fenómeno de consolidación, que induce al agua acumulada entre sus partículas a salir del conjunto, produciendo una reducción del volumen que originará deformaciones del conjunto, las que afectarán la estabilidad del pavimento.

Pavimentos y suelos de fundación (Parte I)

Al igual que en la casi totalidad de aplicaciones de la Mecánica de Suelos, los materiales que se eligen para la fundación de pavimentos, son de dos tipos claramente diferenciados. Los que se denominan materiales gruesos (arenas, gravas, fragmentos de roca, etc.) constituyen el primer grupo, el segundo grupo está formado por los suelos finos, cuyo arquetipo son los materiales arcillosos.

Es conocida la gran diferencia de comportamiento que tienen ambos grupos de suelos, respecto a sus características de resistencia y deformación, estas diferencias ocurren por la naturaleza y la estructura íntima que adoptan las partículas individuales o sus grumos, los suelos finos forman agrupaciones compactas y bien familiares, en cambio los suelos gruesos adoptan formas vaporosas con grandes volúmenes de vacíos y ligas poco familiares en el caso de los finos.

En los suelos gruesos tales como las arenas y las gravas, la deformación del conjunto por efecto de cargas externas, sólo puede tener lugar, por acomodo brusco de partículas menores en los huecos que dejan entre sí las mayores, o por ruptura y molienda de sus partículas. La expansión de suelos gruesos, es un fenómeno que para efectos prácticos no se considera en el diseño de carreteras. La estabilidad de los suelos gruesos ante la presencia del agua es grande, si se prescinde de la posibilidad de arrastres internos de partículas menores por efecto de la circulación de corrientes de agua interiores, efecto que relativamente es poco común en las carreteras. Por tanto, si el suelo grueso está constituido por partículas mineralógicamente sanas, su resistencia al esfuerzo cortante es grande, y está basada en mecanismos de fricción interna de sus partículas, o en la resistencia que oponen esas partículas a deslizarse unas con respecto a otras, dependiendo por tanto de la fricción interna y de su dureza.

Seguridad a hundimiento II - Zapatas

Seguridad a hundimiento en Zapatas bajo carga excéntrica en una dirección

Carga actuando con una excentricidad reducida

e ≤ a’/6 (resultante dentro del núcleo central)

En éste caso la distribución de presiones bajo el terreno es trapezoidal y las presiones en los bordes de la zapata se obtienen a través de la siguiente ecuación:

σ = N₁/(a’×b’) (1±((6×e)/a’))

Tomando la presión máxima, media y mínima los siguientes valores:

σ_máx = N₁/(a’×b’) (1+((6×e)/a’))

σ_med = N₁/(a’×b’)

σ_mín = N₁/(a’×b’) (1-((6×e)/a’))

Donde:

N₁, M₁ = Axil y momento en el plano de la cimentación.

a´, b´ = dimensiones en planta de la zapata.

E = M₁/N₁ = excentricidad resultante en el plano de la cimentación

Y se debe verificar que, para la seguridad frente a hundimiento de la cimentación:

σ_máx ≤ 1.25 σ_adm

σ_med ≤ σ_adm

Se admite en los bordes un aumento del 15 % en la presión admisible, siempre que la presión en el centro de gravedad de la superficie de apoyo no exceda de la presión admisible.

Seguridad a hundimiento I - Zapatas

Seguridad a hundimiento en Zapatas bajo carga centrada

En la práctica suele suponerse que la distribución de las presiones del terreno es plana (vér la figura más adelante), tanto si la zapata es rígida como si es flexible. Si la resultante es centrada, la presión del terreno es uniforme, debe cumplirse:

σ = σ_med = N₁/(a’×b’) ≤ σ_adm

Donde:

N₁ = Axil en el plano de la cimentación.

a´, b´ = dimensiones en planta de la zapata.

σ_med = presión media en la base de la zapata.

σ_adm = presión admisible del suelo.

Figura: Distribución de tensiones bajo el terreno para carga centrada

En la práctica, la mayoría de las zapatas de edificación se calculan con carga centrada, ya que los momentos son relativamente pequeños en comparación con el axil en el plano de cimentación N₁, y las excentricidades son despreciables en comparación con las dimensiones de la zapata.

No sucede lo mismo, por ejemplo, con muchas zapatas de pilares de naves agroindustriales, muros de contención, depósitos, etc., en las cuales los momentos son importantes en relación al axil, éstas se calcularán según lo que se describirá con posterioridad.

Calculo de la estabilidad del elemento de cimentación IV

Determinación de las acciones en el plano de la cimentación

Es preciso determinar el axil y el momento en el plano de la cimentación, a partir de los cuales se obtendrá la distribución de tensiones en el terreno, así como los coeficientes de seguridad a vuelco y a deslizamiento. (Ver la siguiente figura).

a) Axil en el plano de cimentación (N1):

N₁ = N + W_Z + W_t

donde:

• N: valor característico del axil en la base del pilar.

• W_Z: peso de la zapata.

• W_t: peso del terreno que gravita sobre la zapata.

W_Z = (a’ ⋅ b’ ⋅ h) ⋅ γ_HA

siendo:

• a´, b´: dimensiones en planta de la zapata.

• γ_HA: Peso específico del hormigón armado.

• h: canto de la zapata.

W_T = [((a'⋅b') − (a ⋅ b)) ⋅ H ]⋅ γ_t

(Peso del terreno que gravita sobre la zapata para el caso de zapatas aisladas)

Donde:

• a, b : dimensiones del soporte situado sobre la zapata.

• H: profundidad del plano superior de la cimentación.

• γ_t : peso específico del terreno.

b) Momento en el plano de la cimentación (M1):

M₁ = M + V•h

Siendo:

• M, V : valores característicos del momento y el cortante en la base del soporte.

• h: canto de la zapata.

Calculo de la estabilidad del elemento de cimentación III

Nomenclatura empleada en las dimensiones de zapatas aisladas

En la figura que se muestra a continuación, se puede observar la nomenclatura a emplear para las dimensiones en zapatas aisladas.

Calculo de la estabilidad del elemento de cimentación II

Para el anteproyecto de zapatas, previo a la realización del estudio geotécnico, resulta útil disponer de una idea orientativa acerca de las presiones admisibles en los distintos tipos de terreno. En las siguientes dos tablas se muestran los valores de las presiones admisibles según las recomendaciones de la Sociedad Española de Mecánica del Suelo y Cimentaciones.

En la primera tabla se muestra las presiones admisibles en zapatas (KN/m²), para terrenos arenosos.

Cuando la arena, en toda la profundidad activa del cimiento, está por debajo de la capa freática, los valores dados en la anterior tabla se reducen a la mitad.

La siguiente tabla muestra las presiones admisibles en zapatas y losas (KN/m²), para terrenos arcillosos.

Calculo de la estabilidad del elemento de cimentación I

Según lo expuesto con anterioridad, para la realización de las comprobaciones geotécnicas se tendrán en cuenta los esfuerzos transmitidos por la estructura sobre el cimiento, los debidos al peso propio del cimiento más las tierras u otras acciones actuantes sobre el; todos ellos con los valores característicos.

El hecho de que se empleen los valores característicos de las acciones es debido a que ya se le ha aplicado un coeficiente de mayoración a la tensión admisible del terreno.

La presión admisible del terreno la determina estudio geotécnico, y ésta puede venir impuesta por la condición de que los asientos del mismo sean compatibles con la capacidad de deformación de la estructura, o resultar de consideraciones puramente resistentes. En este último caso, la, presión admisible es el cociente entre la presión de hundimiento del suelo y un coeficiente de seguridad γ_t, para el cual, generalmente se toma el valor de 3.

Estabilidad del elemento de cimentación y cálculos estructurales III

b) Cálculos estructurales (continuación)

Para la comprobación de los estados límite últimos del elemento de cimentación, se consideran los efectos de las tensiones del terreno, obtenidos para los esfuerzos transmitidos por la estructura bajo las combinaciones pésimas mayoradas, teniendo en cuenta los efectos de segundo orden para el caso de soportes esbeltos, y la acción mayorada del peso propio de la cimentación y del terreno, cuando sea necesario.

Salvo el caso de cargas triangulares bajo el elemento de cimentación, en los cálculos es común prescindir del peso propio del elemento de cimentación, pues al fraguar el hormigón, (estado inicial) el peso se transmite al suelo sin causar tensiones ni deformaciones y del peso del suelo o rellenos repartidos uniformemente sobre la base de la cimentación, pues estos pesos se equilibran con reacciones iguales y opuestas del suelo, y tampoco causan esfuerzos en la cimentación.

Estabilidad del elemento de cimentación y cálculos estructurales II

b) Cálculos estructurales

Se trata de comprobar que el elemento de cimentación resiste los esfuerzos a los que se va a encontrar sometido, definiendo el armado necesario en el mismo y los requisitos para garantizar una durabilidad adecuada (Véase las siguientes dos figuras).

La primera figura corresponde a la deformación del elemento de cimentación con distribución de tensiones bajo los terrenos uniformes o trapezoidales.

Estabilidad del elemento de cimentación y cálculos estructurales I

En un proyecto de cimentaciones se realizan dos tipos diferentes de cálculos:

• Estabilidad del elemento de cimentación
• Cálculos estructurales

a) Estabilidad del elemento de cimentación

Se trata de calcular las presiones que van a actuar sobre el terreno, comprobando que no se supere la tensión admisible del terreno, y comprobar que no existe el riesgo de que se produzca vuelco o deslizamiento del elemento de cimentación.

Según la normativa para establecer las dimensiones de la cimentación y la comprobación de las tensiones del terreno se considerarán las combinaciones pésimas transmitidas por la estructura con sus valores característicos, teniendo en cuenta los efectos de segundo orden (momento adicional debido a las deformaciones del soporte) para el caso de soportes esbeltos, el peso del elemento de cimentación y el terreno que gravita sobre él (Véase la siguiente figura).

Es decir, para la comprobar la estabilidad del elemento de cimentación, se supone ésta como un sólido indeformable y se comprueba que el terreno aguanta las presiones a que va a estar sometido, que la zapata no vuelca y que no desliza, todo ello empleando los valores característicos de las acciones.

En el caso de que se tenga los esfuerzos que actúan sobre la cimentación mayorados, será preciso desmayorar los mismos.

Acciones en las cimentaciones

Entre las acciones que deben considerarse en el cálculo de las cimentaciones están, en primer lugar, los esfuerzos. (axiles, momentos y cortantes) que le transmite la estructura. Además está el peso propio de la cimentación, el del suelo y rellenos situados sobre la misma, el empuje de tierras y, si hay agua, el empuje hidrostático (subpresión).

En primer lugar se realiza el cálculo de la estructura, obteniéndose así las reacciones en la base de los pilares. Luego se calcula la cimentación sometida a acciones opuestas a estas reacciones (axiles, cortantes y momentos). Esta forma de proceder presupone que el conjunto formado por la cimentación y el suelo es mucho más rígido que la estructura, de modo que sus pequeños desplazamientos elásticos no alteran apreciablemente los esfuerzos y reacciones de la misma.

Criterios de diseño de zapatas II

En proximidad de vías o corrientes de agua el plano de apoyo debe quedar más profundo que el nivel más bajo del agua.

La cimentación se debe disponer sobre un terreno de características geotécnicas homogéneas. Si el terreno de apoyo presenta discontinuidades o cambios sustanciales en sus características, se fraccionará el conjunto de la construcción de manera que las partes situadas a uno y otro lado de la discontinuidad constituyan unidades independientes.

En el proceso de dimensionamiento de la zapata en planta se siguen los siguientes pasos:

• Predimensionamiento de la zapata en planta.
• Cálculo de la distribución de presiones sobre el terreno.
• Comprobación de que las presiones sobre el terreno no superan la tensión admisible del mismo. También se comprueba que éstas no sean inferiores en exceso, ya que estaríamos sobredimensionando. En caso de que no sean adecuadas las dimensiones en planta, vuelta a dimensionar.
• Comprobación de la estabilidad a vuelco, y redimensión si fuese necesario.
• Comprobación de la estabilidad a deslizamiento, y redimensión en su caso.
• Cálculo de los asientos del terreno y comprobación de que los asientos no superan los admisibles; reajuste si fuese necesario.

Criterios de diseño de zapatas I

Preferentemente se emplearán zapatas aisladas para cimentar soportes, éstos se dispondrán centrados excepto en las zapatas de medianería y esquina.

Las dimensiones en planta de la zapata se obtienen del cálculo de la estabilidad del elemento de cimentación (comprobación a hundimiento y asientos del terreno, estabilidad a vuelco y estabilidad adeslizamiento), mientras que el canto es un criterio del cálculo estructural (dimensionamiento de la zapata como elemento de hormigón armado).

Se recomienda que el canto total h no sea inferior a 0,30 m, salvo casos excepcionales.

Las zapatas de medianería y esquina se proyectan preferentemente con viga centradora.

Se emplean zapatas combinadas cuando los soportes están muy próximos y las zapatas aisladas, incluso rectangulares, son inviables por interferir entre sí.

El plano de apoyo de la cimentación debe ser horizontal o ligeramente escalonado, suavizando los desniveles bruscos de la construcción.

Es conveniente que las instalaciones queden por encima del plano de cimentación, no intersecando con zapatas o vigas centradoras.

A partir del Estudio Geotécnico se obtiene la profundidad a la que el terreno alcanza la resistencia adecuada para cimentar. Se debe tener en cuenta que el terreno situado por debajo de la cimentación no debe verse afectado por las alteraciones del nivel freático.