“CIMENTACIONES PROFUNDAS”

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Índice

Descripción del proyecto__________________________________________________3Justificación____________________________________________________________4Resumen______________________________________________________________6Introducción____________________________________________________________8Antecedentes___________________________________________________________10Marco teorico___________________________________________________________16Objetivos______________________________________________________________26Metas_________________________________________________________________27Metodología____________________________________________________________28Calendarización_________________________________________________________31Impacto beneficios en la solución a un problema_______________________________ 32Referencias____________________________________________________________37

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DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

En este proyecto se explicara el porqué de las cimentaciones profundas así como los antecedentes que se deben de tomar en cuenta para poderlas aplicar, sin duda esta son de gran ayuda ya que solucionan la trasmisión de cargas a los sustratos aptos y resistentes del suelo.Por lo cual la ingeniería aplicada en cimentaciones se he desarrollado exponencialmente a los largo de las últimas décadas. La gran de demanda de macro infraestructura para el sector privado y público, conlleva a enfrentar nuevos retos. Las superestructuras transmiten sus cargas al suelo por medio de sistemas de cimentación cada vez más complejos a causa de dos factores: el primero es el de la concepción intelectual y su análisis numérico; y el segundo es la metodología constructiva que se apoya en las nuevas tecnologías, respetando el medio ambiente en todas sus aristas.La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la superestructura. Hay que prestar especial atención ya que la estabilidad de la construcción depende en gran medida del tipo de terreno.Por lo que la cimentación es el conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados a este al suelo distribuyéndolas de forma que no superen su presión admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes).Se buscará siempre que el terreno de apoyo sea resistente y, si eso no fuese posible, habrá que buscar soluciones alternativas.En muchos casos, los cimientos no solo transmiten compresiones, sino que mediante esfuerzos de rozamiento y adherencia llegan a soportar cargas horizontales y de tracción, anclando el edificio al terreno, si fuese necesario. Las funciones principales, los cimientos han de cumplir otros propósitos.Siendo estos ser suficientemente resistentes para no romper por cortante, soportar esfuerzos de flexión que produce el terreno, para lo cual se dispondrán armaduras en su cara inferior, que absorberán lastracciones, acomodarse a posibles movimientos del terreno, soportar las agresiones del terreno y del agua y su presión, si la hay; siendo este el elemento a estudiar por su gran importancia en terrenos con poca resistencia y gran deformación.

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JUSTIFICACIÓN

Se han realizado construcciones con cimentaciones profundas, las cuales son efectuadas cuando los estratos de suelos situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar las cargas transmitidas con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable.

En distintos casos las construcciones están realizadas con cimentaciones superficiales o semiprofundas, debido al tipo y magnitud de la estructura que se ha realizado, por ejemplo: casas habitacionales, locales comerciales, restaurantes y otros.

Actualmente no existe en la ciudad, un documento o guía que sirva de referencia para utilizar cimentaciones profundas en los suelos existentes de las zonas a establecer, ya que para la realización de este tipo de investigación es necesario un interés académico o institucional. Por las razones anteriores es necesario elaborar un documento que haga una recopilación de resultados de laboratorio actualizados y que brinde alternativas de solución de cimentaciones profundas en base a la estratigrafía encontrada, generando de esta manera un aporte técnico que sirva a la sociedad como un apoyo para la construcción de fundaciones.

Para que una estructura ofrezca seguridad y tenga un comportamiento correcto, debe contar con una cimentación adecuada. Aunque la cimentación es algo que no llama la atención y suele pasar desapercibida por los usuarios de la estructura, la organización de sus elementos, desde los básicos hasta los de mayor complejidad, y el estudio de cada una de sus partes, exige al ingeniero, tanto proyectista como constructor, la mayor destreza y el mejor criterio que puedan desarrollar, tanto individualmente como en equipo. La construcción de una cimentación es, por consiguiente, el trabajo más crítico de todos los que se presentan al realizar una obra, puesto que es la base y punto de partida de todo el proceso constructivo y de la estructura en sí.

Existen varios tipos de cimentaciones, los cuales dependen entre otras cosas de su forma de interactuar con el suelo, esto es, la manera en que transmiten al subsuelo las cargas que soportan; también dependen de su técnica de construcción y del material con que son fabricadas, así como de la mano de obra, material y equipo que se requiere para construirlas (que puede ser sencillo en algunos casos o muy especializado en otros), lo que se refleja directamente en la dificultad para llevarlas a cabo y por supuesto en su costo. También puede influir la situación económica del lugar de construcción o bien podría darse el caso extremo de que la obra sea tan compleja y el terreno tan complicado para construirla, que sea necesario desarrollar un tipo de cimentación muy especial.

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Por lo que seguimos recalcando que el cimiento es aquella parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al terreno. Dado que la resistencia y rigidez del terreno son, salvo raros casos, muy inferiores a las de la estructura, la cimentación posee un área en planta muy superior a la suma de las áreas de todos los soportes y muros de carga.

Lo anterior conduce a que los cimientos son en general piezas de volumen considerable, con respecto al volumen de las piezas de la estructura. Los cimientos se construyen casi invariablemente en hormigón armado y, en general, se emplea en ellos hormigón de calidad relativamente baja, ya que no resulta económicamente interesante el empleo de hormigones de resistencias mayores.

Para poder realizar una buena cimentación es necesario un conocimiento previo del terreno en el que se va a construir la estructura. La correcta clasificación de los materiales del subsuelo es un paso importante para cualquier trabajo de cimentación, porque proporciona los primeros datos sobre las experiencias que puedan anticiparse durante y después de la construcción.

El detalle con el que se describen, prueban y valoran las muestras, depende del tipo de estructura que se va a construir, de consideraciones económicas de la naturaleza de los suelos, y en cierto grado del método con el que se hace el muestreo. Las muestras deben describirse primero sobre la base de una inspección ocular y de ciertas pruebas sencillas que pueden ejecutarse fácilmente tanto en el campo como en el laboratorio clasificando el material en uno de los grupos principales: grava, arena, limo y arcilla. La mayor parte de los suelos naturales se componen por la mezcla de dos o más de estos elementos, y pueden contener por añadidura material orgánico parcial o completamente descompuesto.

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RESUMEN

La cimentación profunda ha sido aplicada desde tiempos prehistóricos. Hace 12,000 años los habitantes de Suiza introducían troncos de madera en los suelos blandos de lagos poco profundos y construían sus casas sobre ellos. Venecia en sí misma, fue construida sobre pilotes de madera para proteger a los italianos de los invasores de Europa del Este, y al mismo tiempo permitirles estar cerca del mar y de esta manera proveerles una fuente de subsistencia.

La importancia de un estudio de suelos, radica en saber si el suelo será capaz de soportar las construcciones, iniciando con la cimentación, que es la parte conocida como infraestructura que se colocará por debajo de la superficie del terreno y que transmitirá las cargas al suelo.Con el transcurso del tiempo se determinó que algunas de las estructuras se deterioraron antes de la vida útil, presentando distintas fallas, debidas a que el suelo sobre el cual han sido cimentadas no han soportado el peso de la misma, a consecuencia de las deformaciones sufridas por el suelo, tales como asentamientos, deformaciones, expansión del suelo y otros.

De esta manera, la cimentación profunda tomó un giro sumamente importante con la llegada de la Revolución Industrial, a través de la invención de las máquinas de vapor y diesel.

Las pilas de cimentación profunda coladas en sitio, son uno de los métodos de cimentación que se han desarrollado gracias a la evolución de la tecnología, pues existe una distancia enorme entre las pilas excavadas a mano y rellenadas de arena y piedras y los métodos constructivos existentes hoy en día con maquinaria de capacidades gigantescas. Aún así, las pilas de cimentación profunda de ayer y hoy (y la cimentación profunda en general), tienen el mismo propósito para su época respectiva: hacer posible la construcción de grandes edificaciones y construcciones en zonas donde la capacidad del suelo es desfavorable para la aplicación de cimentaciones superficiales.

Recientemente, la creciente necesidad de edificación y construcción ha forzado a los ingenieros a desarrollar cada vez mejores tecnologías que respondan a los requerimientos de diseño estructural que la evolución de la edificación y diseño demandan hoy en día, la cual surge de la búsqueda de soluciones óptimas en todo tipo de suelos, en especial en suelos blandos, como los existentes en la Zona del Lago del Valle de México.

La tecnología y los métodos empleados en la perforación de pilas de cimentación profunda han tenido un adelanto enorme en los últimos años, como consecuencia de los nuevos retos a los que la ingeniería se enfrenta, de la constante investigación y de la alta demanda de conocimientos cada vez más especializados. Tanto los conocimientos teóricos como los prácticos, se han vuelto factores sumamente importantes hoy en día para la correcta selección de métodos y maquinaria adecuados dentro del amplio horizonte de posibilidades existentes.

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Ante esta demanda, la construcción se ha desarrollado de manera importante, no sólo incursionando en el adelanto de la tecnología para el ataque de los frentes de trabajo, sino en el estudio detallado de cada una de las etapas del proceso constructivo, con la finalidad de materializar de la mejor manera posible el diseño y concepción del proyecto, optimizando tiempos y recursos; obteniendo como resultado obras de alta calidad, sustentables y con un beneficio económico final importante.

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INTRODUCCIÓN

La ingeniería de cimentaciones se he desarrollado exponencialmente a los largo de las últimas décadas. La gran de demanda de macro infraestructura para el sector privado y público, conlleva a enfrentar nuevos retos. Las superestructuras transmiten sus cargas al suelo por medio de sistemas de cimentación cada vez más complejos a causa de dos factores: el primero es el de la concepción intelectual y su análisis numérico; y el segundo es la metodología constructiva que se apoya en las nuevas tecnologías, respetando el medio ambiente en todas sus aristas.

Los proyectos de hoy en día, responden a necesidades de gran escala que solamente las grandes metrópolis pueden satisfacer, en particular en la Ciudad de México y zona Metropolitana. A pesar del gran territorio del Valle de México, hemos llegado a niveles de sobre población y falta de espacio; por lo que el crecimiento horizontal, que hemos estado llevando a cabo desde la modernización de la ciudad, debe suspenderse y por el contrario debemos seguir la pauta del crecimiento vertical que se ha desarrollado en los últimos años. Dicho crecimiento implica superestructuras con grandes cargas a transmitir al suelo en superficies reducidas, esta premisa a su vez obliga a buscar estratos de suelo cada vez más resistentes, que se encuentran a profundidades de más de 40 m. Cabe recordar que el Valle de México albergó por siglos al Lago de Texcoco y por diferentes motivos (principalmente los asentamientos humanos y sobre explotación del Lago) éste se secó; dejando a la Ciudad inhabilitada de un recurso valioso, con grandes problemas mecánicos de suelo y con un hundimiento regional que año con año aumenta por la constante extracción del agua a nivel subterráneo.

Así pues el objeto de este trabajo se reduce a cimentaciones profundas de superestructuras diseñadas especialmente para el suelo tan problemático como lo es el de la Ciudad de México. El estudio de las cimentaciones profundas como erróneamente se cree, no se resume a complejos modelos computacionales ni a nuevos modelos teóricos; si bien estos factores ayudan a optimizar el desarrollo de dichos proyectos, ahora bien, no son determinantes para el buen diseño de una cimentación de este tipo. Más allá de cálculos complejos, el génesis de una cimentación profunda es su conceptualización.

Recordando al Dr. Nabor Carrillo, gran precursor de la Mecánica de Suelos en México, en el prefacio del libro Fundamentos de la Mecánica de Suelos del Dr. Juárez Badillo, enuncia acertadamente que aquellos que “no tienen particularmente inclinación analítica y, en cambio, sienten pasión por la 2 observación y curiosidad de explorar personalmente con experimentos directos las intimidades de la naturaleza, la Mecánica de Suelos ofrece las mejores

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perspectivas”. Dicho esto, las cimentaciones profundas se reducen a la comprensión absoluta del problema, que bajo circunstancias de materiales complejos e inciertos se den soluciones reales. La autocrítica y la sinergia del trabajo en equipo son fundamentales para el éxito de un proyecto de cimentación profunda.

Las estructuras se apoyan en el terreno, por lo que este pasa a conforma una parte más de la misma, debido a que el terreno por sus condiciones naturales, presenta menos resistencia y mayor deformabilidad que los demás componentes que conforma la estructura, la edificación, por lo que no puede resistir cargas al igual que a estructura, debido a ello se busca implementar cierto artificio a la estructura que permita transmitir y repartir las cargas al terreno de una manera adecuada para que el mismo no falle o se deforme al exceder su resistencia puntual, este artificios son la cimentaciones o apoyos de la estructura.Estas cimentaciones o apoyos deben ser dimensionados en base a las características de terreno y de las cargas de la estructura, y las cuales son de distinto tipo de acuerdo a la utilidad que se busca y al comportamiento natural del terreno.Para fines del trabajo se desarrolla las cimentaciones directa abriendo preámbulo con que es una cimentación y cuál es la función que cumple, para luego si adentrarse en los distintos factores, parámetros, circunstancias, consideraciones especiales, calculo, interés entre otro, referente a las cimentaciones directa o superficiales, entendiendo que las misma son cementaciones poco profunda, que reparten la cargas en un plano horizontal, utilizadas sobre todo cuando la características naturales del suelo permiten su aplicación.

Existen varios tipos de cimentaciones, los cuales dependen entre otras cosas de su forma de interactuar con el suelo, esto es, la manera en que transmiten al suelo las cargas que soportan, también dependen de su técnica de construcción y del material con que son fabricadas así como: mano de obra y equipo que se requiere para construirlas, que puede ser sencillo en algunos casos o muy especializado en otros, lo que se refleja directamente en la dificultad parallevarlas a cabo y en su costo.

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ANTECEDENTES

El objetivo de este primer capítulo es el presentar una visión general de lo que es una cimentación sin importar su tipo, de dar a conocer su función en un sistema estructural y principalmente el de tener los criterios básicos para la acertada selección del tipo de cimentación que una estructura requiere conforme a sus características particulares. Posteriormente nos enfocaremos en las cimentaciones profundas y sus arquetipos que de ellas se derivan.

Tipos de CimentacionesLa clasificación de las cimentaciones en la actualidad es muy vasta y difiere de cada ingeniero, de escuela de ingeniería o incluso de academia de ingeniería, no obstante dentro de todas las existentes se distinguen dos ejes principales: Las cimentaciones superficiales y las cimentaciones profundas.

Cimentaciones SuperficialesLas cimentaciones superficiales, son estructuras que transmiten por medio de la presión de su base, los esfuerzos o cargas que genera la superestructura. Una particularidad de este tipo de cimentaciones es que los rozamientos laterales no se consideran al momento del diseño debido a su geometría y profundidad es decir: la profundidad de desplante no excede el doble de ancho de la cimentación.

También conocidas como cimentaciones directas, pues reposan directamente sobre el suelo de desplante, éste a su vez prácticamente permanece inalterado como consecuencia de que la excavación de desplante mantiene estable las condiciones del estrato de apoyo.

Estructuralmente las cimentaciones superficiales, son ampliaciones de algún elemento estructural tales como una columna o un muro. Al elemento de cimentación que soporta una columna aislada se le denomina zapata aislada; si la zapata soporta un muro, entonces se dice que es una zapata corrida. En el caso de que se soporten una serie de columnas, entonces se dice que es una zapata combinada.

Cuando las cargas son muy pesadas se recurre a las losas de cimentación, que son una variación de las zapatas combinadas, cubren toda el área de la superestructura soportando muros y columnas.

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Otro tipo de cimentación superficial es la cimentación con cajones semiprofundos que se utiliza cuando la resistencia del suelo es baja y/o las cargas son elevadas, o cuando se necesite aumentar el área de apoyo y acrecentar el la profundidad de desplante. Bajo estas condiciones, es un sustituto ideal de las losas de cimentación.

Las cimentaciones compensadas, se seleccionan cuando los requerimientos de diseño sean mayores y superen la capacidad del suelo. Se procede a emplear cajones de cimentación cumpliendo una función principal: que el peso del material excavado iguale al peso de la estructura de manera que el suelo no perciba la substitución efectuada. Estos cajones suelen estar desplantados a una profundidad tal que se presente un punto de equilibrio entre las cargas que son transmitidas al suelo y el peso del volumen excavado, dentro del ámbito de la ingeniería a este fenómeno se le conoce como “principio de flotación”.Cimentaciones ProfundasLas características mecánicas del suelo superficialmente no son siempre adecuadas para la selección de una cimentación superficial, por lo tanto el Ingeniero Civil debe localizar estratos de suelo más resistentes y éstos, suelen encontrarse a mayores profundidades, llamándolas así cimentaciones profundas.

Las cimentaciones profundas son aquellas que transfieren las cargas a estratos de suelos resistentes localizados a gran profundidad. Las cargas pueden ser transmitidas directamente en el estrato resistente (pilas o pilotes de punta) o por fricción lateral que se crea entre la cimentación y el suelo (pilotes de fricción).

Para la ejecución de los elementos de cimentación profunda, es importante tener en consideración cuatro aspectos fundamentales:

Método por el cual se transmitirá la carga al subsuelo Características de los materiales que se emplearán para la construcción de los elementos de

cimentación Procedimiento constructivo que se implementará El presupuesto destinado, como factor económico donde se contemplan los rubros de

maquinaria, costo de mano de obra y de materiales

Dentro de los diferentes tipos de cimentaciones profundas los elementos de cimentación que más se aplican en la Ingeniería Civil y que se detallarán en el siguiente inciso, son los siguientes:

Según el Juárez Badillo (1963), los elementos esbeltos con dimensiones transversales de orden comprendido entre 0.30 m y 1.0 m se les denomina pilotes, aquellos que sobrepasan 1.0 m pero que no exceden del doble de dicho valor se les llama pilas. Sin embargo en la actualidad estas definiciones han sido cuestionadas por lo que a continuación se enuncia:

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Las pilas son elementos estructurales subterráneos generalmente, colados in situ debido a su gran magnitud, que cumplen con la función de una zapata, es decir, éstas transmiten la carga a un estrato capaz de soportarlas y sin peligro de que fallen ni provoquen un asentamiento excesivo. Sin embargo en comparación con una zapata, la relación entre la profundidad de desplante y el ancho de la base es mayor a 4. Además en pilas el cuerpo del elemento puede ser recto o tener campana, con esta ampliación en la base se obtiene mayor capacidad de carga estructural en el cimiento.

Otro elemento de cimentación profunda son los cajones o caissons, es una caja estructural o cámara que se hunde o construye en su situ por excavación sistemática del suelo por debajo del fondo de la unidad, permitiendo descender hasta la profundidad definida en el proyecto.

Clasificación de Cimentaciones ProfundasDe acuerdo al inciso anterior, los principales elementos de cimentación profunda son las pilas, pilotes y muros. En este apartado se describirán a detalle principalmente el de las pilas y muros, pues este tipo de elementos serán los que se desarrollarán más adelante para el proyecto de rascacielos en cuestión.PilotesEl uso de los pilotes es necesario cuando el suelo a nivel superficial es demasiado débil y la colocación de una zapata requeriría de una base superior a la del terreno. Los pilotes son adecuados para transmitir las cargas a mayores profundidades donde un estrato es más resistente. Su sección transversal y su gran esbeltez propician, que su colocación mediante una piloteadora o martinete faciliten el hincado. Frecuentemente se hincan en series de filas, soportando cada grupo de pilotes un muro o una columna.

Los pilotes se clasifican por sus materiales y sus características estructurales:

Los pilotes de acero están constituidos a base perfiles H o tubos de acero laminado, para el caso de los tubos éstos se pueden hincar con sus extremos cerrados o inclusive abiertos y posteriormente se rellenan con concreto después de su hincado. Otra alternativa para este tipo de material son las vigas de patín ancho o los perfiles I.Según Braja M. Das (1984) la capacidad estructural permisible para pilotes de acero se calcula como:

Q perm=A s F s

Donde:A s es el área de la sección transversal del acero; F ses el esfuerzo permisible del acero (≈ 0.33 – 0.35 fy)

Los pilotes pueden ser adaptados a las condiciones del terreno; por ejemplo para hincados en arena densa, esquistos o roca suave se les coloca puntas o zapatas de hincado en el extremo del pilote. Para condiciones de alto contenido de agua en el subsuelo se debe considerar un

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espesor adicional al de diseño para compensar la corrosión y/o adicionalmente aplicar un recubrimiento epóxico o inclusive con un encapsulado de concreto. Las ventajas de este tipo de material son su de fácil manejo refiriéndose a la extensión de la longitud deseada y su corte, soportan esfuerzos elevados de hincado, tienen una alta facilidad para penetrar en estratos duros y poseen una alta capacidad de soporte de carga. Sin embargo se debe tomar en consideración su alto costo, que pueden estar expuestos a la corrosión y que durante su hincado provocan un alto nivel de ruido.

Existen varios tipos de cimentaciones, los cuales dependen entre otras cosas de su forma de interactuar con el suelo, esto es, la manera en que transmiten al subsuelo las cargas que soportan; también dependen de su técnica de construcción y del material con que son fabricadas, así como de la mano de obra, material y equipo que se requiere para construirlas (que puede ser sencillo en algunos casos o muy especializado en otros), lo que se refleja directamente en la dificultad para llevarlas a cabo y por supuesto en su costo. También puede influir la situación económica del lugar de construcción o bien podría darse el caso extremo de que la obra sea tan compleja y el terreno tan complicado para construirla, que sea necesario desarrollar un tipo de cimentación muy especial. Los tipos de cimentaciones pueden clasificarse de una forma muy generalizada como se indica a continuación:

Los pilotes de madera, utilizados en México desde la época precolonial para la cimentación de las pirámides en la zona del Lago de Texcoco, son troncos de árboles exentos de ramas y de la corteza limitados por las propiedades mecánicas de la madera y de su geometría (longitudes de 10 a 20 m). La madera debe ser cuidadosamente inspeccionada. Algunas organizaciones como la American Society of Civil Engineers, presentan la siguiente clasificación:

Clase A: soportan cargas pesadas. El diámetro del fuste, la parte sólida del árbol, mínimo debe ser de 356 mm.Clase B: soportan cargas medias. El diámetro del fuste mínimo debe ser de 305 a 330 mm.Clase C: sólo se emplean en trabajos provisionales de construcción. Cuando la totalidad del pilote está por debajo del nivel freático puede entonces estar en servicio de manera permanente. El diámetro del fuste mínimo deber ser de 305 mm.Este tipo de pilotes ya no es muy utilizado en la industria de la construcción debido a las exigencias de seguridad de la superestructura y de la magnitud de las obras que se construyen hoy en día.Finalmente los pilotes compuestos o mixtos, no son más que pilotes donde las partes superiores o inferiores están hechas de materiales diferentes los más recurrentes son: acero, concreto, madera o poliestireno. Los más utilizados son los de concreto en la parte superior y acero en la parte inferior, son requeridos cuando la longitud del pilote excede la capacidad de un pilote simple de concreto. Las diferentes combinaciones que se pueden llegar a seleccionar dependerán de las necesidades mecánicas y económicas siempre y cuando el diseño estructural sea conforme a los reglamentos de construcción del sitio.Pilas

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En este apartado se describen brevemente las características de las pilas como elementos de cimentación, las cuales se distinguen de los pilotes principalmente por su tamaño creciente (diámetro mayor o igual a 750 mm) y en consecuencia de su sistema constructivo (coladas in situ). Por esta simple característica física se presentan diferencias substanciales, respecto a los pilotes, en su comportamiento. Sin embargo, para un primer diseño pueden a utilizarse los mismos criterios de cálculo de capacidad de carga y asentamientos que los pilotes.Las pilas se clasifican según la manera en que se diseñan para transferir la carga estructural del suelo:Las pilas rectas, se prolongan a través del o de los estratos superiores del suelo débil y su punta se apoya sobre un estrato de suelo o roca que tenga una gran capacidad de carga. Una propiedad mecánica de este tipo de pilas es que la resistencia a la carga aplicada se puede desarrollar por el soporte de su extremo y a su vez por la fricción lateral en la interfaz entre el perímetro de la pila y el suelo.Las pilas acampanadas, están constituidas de un fuste recto con una campana de fondo, la cual se apoya sobre un suelo con buena capacidad de carga. La campana puede construirse con forma de domo o inclinada. En el caso de las pilas inclinadas, las herramientas para ensanchar el fondo, disponibles en la industria de la construcción tienen un intervalo de 30° a 45° respecto a la vertical. Por cuestiones de simplicidad para el diseño de las pilas, la capacidad de soporte de carga se concentra solamente al apoyo del extremo, a excepciones en dónde se considere en suma la fricción lateral.Adicionalmente, las pilas rectas tienen la posibilidad de extenderse hacia un estrato de roca subyacente, para este caso, el cálculo de la capacidad de carga de estas pilas, el soporte extremo y el esfuerzo cortante desarrollado a lo largo del sistema entre el perímetro de la pila u la roca se toman en cuenta.

MurosLos muros de contención son estructuras que proporcionan soporte lateral a una masa de suelo y deben su estabilidad principalmente a su propio peso y al peso del suelo que esté situado directamente arriba de su base. Los muros de contención constituyen partes propias de muchas cimentaciones. Los tipos más comunes en uso son: el de gravedad, semigravedad, voladizo, de contrafuertes y muros criba.Los muros de gravedad dependen para su estabilidad completamente del peso de la mampostería o concreto y del suelo que se apoye en ellos. Sólo llevan refuerzo los muros de concreto, en los que se coloca una cantidad nominal de acero cerca de los paramentos expuestos para evitar el agrietamiento con los gradientes de temperaturaLos muros de semigravedad, son más esbeltos comparados con los de gravedad y requieren, en consecuencia, de mayor refuerzo; este refuerzo consiste en varillas verticales colocadas a los largo del paramento interior y otras que continúen dentro de las zapatas. Adicionalmente llevan acero por temperatura a proximidad del paramento expuesto.Los muros voladizos, están compuesto de tableros y una base formada por una losa de concreto; ambos son relativamente delgados y están completamente reforzados para resistir los momentos y fuerzas cortantes a las que están sometidos.Los muros contrafuerte, están conformados por una losa delgada exterior, generalmente vertical, apoyada a intervalos en la cara interior en losas verticales o contrafuertes que cortan

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en ángulo recto la losa exterior. Tanto la losa exterior como los contrafuertes están conectados a la losa de la base y el espacio que queda arriba de la base y entre los contrafuertes se rellena de suelo. Todas las losas deben estar completamente reforzadas.Los muros criba se diferencian de los cuatro anteriores por no ser monolíticos; están formados por unidades estructurales individuales, unidas en el lugar formando una serie de cajas huecas, conocidas como cribas. Éstas se llenan de suelo y su estabilidad depende no solamente del peso de las unidades y su relleno, sino también de la resistencia del suelo usado para el mismo. Las unidades pueden ser de concreto reforzado, acero estructural o madera.En conclusión, obtener una visión general de la gama de sistemas de cimentación nos permite tener un mejor criterio en la selección de la cimentación más apta para un proyecto en especial. Asimismo, apelando a la capacidad ingenieril, esta clasificación de elementos no es más que una guía que marca sólo tendencias geométricas, estructurales y mecánicas; pues la creación de nuevos elementos, materiales y propuestas concretas en general que innoven la ingeniería de cimentaciones enriquecen a la comunidad geotécnica para concebir estructuras más sólidas y seguras, en las zonas con mayor riesgo.

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Marco teórico

Toda obra de ingeniería civil descansa sobre el suelo, el cual, a diferencia de otros materiales de construcción, no tienen definidas sus propiedades y características, es decir que varían de una zona a otra. Puesto que el suelo es parte fundamental en el comportamiento de la estructura, el conocimiento de estas, así como el de otras condiciones que influyen en él; a tal grado que de nada sirve un buen diseño estructural si se desconocen o se ignoran tales propiedades y características.Para la determinación de la resistencia del suelo o para prever su comportamiento con el tiempo una vez cargado, es necesario conocer ciertos datos, que se pueden obtener a partir de los estudios en el laboratorio por medio de las muestras que se toman en los sondeos de campo.Es obvio que algunos resultados que se obtienen por el muestreo de pozos a cielo abierto, difieren un poco de las propiedades del suelo (laboratorio), ya que se alteran sus condiciones por el manejo y transporte. De esto se deriva la necesidad de usar factores de seguridad, con los que se obtienen resultados satisfactorios.Se puede hacer una distinción general entre los materiales básicos: suelo y roca. En el extremo la distinción es clara, por ejemplo, entre granito suelto y granito sólido. Sin embargo una distinción mas precisa, es un poco difícil, ya que algunos suelos que son muy compresibles pueden ser muy duros (generalmente estado seco), mientras que algunos tipos de roca son muy blandas o tienen muchas fracturas, lo cual las hace susceptibles a la desintegración. Para el uso práctico de la ingeniería, el suelo se define, generalmente, como un material formado por partículas discretas que son muy fáciles de separar.Por ser el suelo un material natural, sus propiedades no son controlables y son más difíciles de determinar con precisión. Además, la respuesta de la mayoría de los suelos bajo carga es no lineal desde los niveles bajos de esfuerzos y se modifican en forma importante con el tiempo. Esta distribución de esfuerzos entre el suelo y la cimentación depende de la interacción entre ambos sistemas.

Estudios Geotécnicos

Localización de Sondeos

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Cuatro sondeos mixtos de muestreo continuo se realizaron en el predio, nombrados SM-1 a SM-4. Los primeros dos sondeos, se efectuaron a de 50 m de profundidad, el tercero y cuarto se hicieron a 45 m. Se combinó la obtención de muestras representativas alteradas a través del método de penetración estándar. Dentro de las herramientas utilizadas se recurrió a un barril rotatorio NX con broca de barril con incrustaciones de diamante industrial en su extremo, para el caso en el que los materiales presenten rechazo o el índice de resistencia a la penetración estándar sea mayor a los 50 golpes que estipula la prueba para avances menores a 5 cm.

Prueba de Penetración Estándar, SPT

En los párrafos siguientes se describe la prueba de penetración estándar como método de muestreo. Esta prueba consiste en un penetrómetro que se enrosca al extremo de una tubería de perforación y se penetra a través de golpes, dados por un martinete de 63.4 kg que cae desde una distancia de 76 cm, contando el número de golpes necesario para lograr una penetración de 30 cm intermedios .El martinete es hueco y guiado por la misma tubería de perforación, se eleva por un cable que pasa por la polea de un trípode y se deja caer desde la altura requerida contra el ensanchamiento de la misma tubería de perforación hecho al efecto. En cada avance de 60 cm se debe retirar el penetrómetro, removiendo el suelo de su interior, el cual constituye la muestra. En caso que los materiales en los que se realiza la prueba tengan una resistencia mayor a 50 golpes para penetrar 30 cm, se suspende la prueba al alcanzar 50 golpes y se reporta los centímetros penetrados. Si la prueba no resulta debido a la presencia de boleos o materiales similares, el avance de 60 cm se puede hacer utilizando un barril rotatorio NX, ya descrito.SUELOS CONVENCIONALESSon conocidos los siguientes grupos y tipos:Gravas: son fragmentos de rocas cuyo tamaño van de 2 mm a 250 mm. Los tamaños son variados, de formas redondeadas o angulares. Se encuentran combinadas con otros tipos de suelo y habrá que darle tratamientos como a los cantos gruesos.Arenas: son pequeñas partículas de formas redondeadas o angulosas que proceden de rocas disgregadas. Al describirlas se suele adoptar la clasificación arbitraria (tabla 1.0).

TABLA 1.0

CLASIFICACIÒN DE LAS ARENAS

TIPO DE ARENA DIÀMETROSArena fina 0.05 – 0.25 mmArena media 0.2 – 0.6 mmArena gruesa 2.0 – 2.5 mmMecánica de Suelos. Juárez Badillo, 1995.

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Estas se constituyen en suelos que no tienen cohesión, estando limpias no se contraen al secarse, son mucho menos compresibles que las arcillas y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.Las arenas limosas o materiales arenosos normalmente son buenos para cimentación. Sin embargo, cuando la arena es muy fina y suelta disminuir su resistencia y capacidad de soportar cargas. Los suelos arenosos como Limo arenoso, arena limosa, arenas puras, y otras; son muy susceptibles a los problemas de erosión, socavación, y a disminuir rápidamente su resistencia. Este tipo de suelo se mejora con un tratamiento ligante y confinante, de esta forma se vuelve apto para cimentación.Limos: son suelos compuestos de partículas muy finas, con poca o ninguna plasticidad, cuyos diámetros varían de 0.05 a 0.005 mm aproximadamente. Los limos orgánicos generalmente se encuentran mezclados con materia orgánica finalmente dividida, de olor desagradable si está contaminada.Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas a través de la estructura de cimentación. La permeabilidad de los limos es muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos de no encontrarse en estado denso, no se consideran buenos para cimentar, en espesor grueso son buenos para cimentar. Son suelos de partículas muy finas que a veces pueden confundirse con la arcilla, debido a que algunos presentan cierta plasticidad por asociaciones arcillosas, lo cual modifica su típico comportamiento, en relación a la consistencia, resistencia y capacidad de carga; aunque esta plasticidad se puede disminuir combinándolo con un suelo arenoso. Algunas veces un suelo limoso está contaminado con materia orgánica y esto causa que el suelo sea inestable, por lo que habrá de darle un tratamiento que lo mejore combinándolo con otros suelos (selecto). Sin materia orgánica y estabilizándolo mediante compactación y otro material apropiado.Arcillas: están compuestas de partículas finas, generalmente en forma de laminillas o escamas, cuyos diámetros llegan a ser menores de 0.005 mm. Las arcillas se vuelven plásticas cuando se humedecen, pero pierden la plasticidad y se contraen al secarse. Presentan marcada cohesión según su humedad, son compresibles y al aplicarle una carga en su superficie se comprimen lentamente, es muy sensible a los cambios volumétricos y a las contracciones principalmente perdiendo su resistencia y capacidad de carga. Así que para disminuir su plasticidad se puede combinar con otro suelo arenoso y estabilizarlo mediante compactación. Cuando las arcillas se utilizan como suelo de cimentación se debe controlar su contenido de humedad ya que son muy susceptibles a los cambios volumétricos cuando se saturan o se secan.Tierra vegetal: es una mezcla de arena, limo o arcilla, o una combinación de cualquiera de ellos, además de materia orgánica. La tierra vegetal no es útil para cimentar. Deberá removerse totalmente y sustituirla por suelo sano sin materia orgánica, la arena limosa es ideal para este tipo de sustitución.Turba: es suelo constituido por materia orgánica parcialmente descompuesta. La turba es inservible en suelo de cimentación o como material de relleno.

CLASIFICACIÒN DE SUELOS

Clasificar un suelo, es agruparlo, de manera tal de conocer lo siguiente:

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Sus descripciones, de modo que se pueda identificar y tener una idea sobre sus futuros comportamientos en cualquier tipo de obra.

El conocimiento de su permeabilidad y su resistencia al esfuerzo cortante.

De aquí surge el problema de agrupar los suelos en un reducido número de tipos y por otro lado, tenemos la ventaja de la clasificación por su notación corta, resulta muy útil para dar con una idea general y una información abstracta y fácil de identificar un suelo. Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos o subgrupos basados en su comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje común, para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que son infinitamente variadas sin una descripción detallada.Actualmente en los laboratorios se usa el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), para la distribución por tamaño del grano y plasticidad de los suelos.

Sistema Unificado de Clasificación de suelos (SUCS):

La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse en la construcción de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército durante la Segunda Guerra Mundial. En cooperación con la Oficina de Restauración de Los Estados Unidos de América, el sistema fue revisado en 1952. Hoy en día, es ampliamente usado por los ingenieros y laboratoristas. Este sistema clasifica los suelos en dos amplias categorías:

Suelos de grano grueso: son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del 50% pasando por la malla No.200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G o S; donde “G” significa grava o suelo gravoso y “S” significa arena o suelo arenoso.

Suelos de grano fino: con 50% o más pasando por la malla No.200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo “M”, que significa limo inorgánico, “C” para arcilla inorgánica u “O” para limos y arcillas orgánicos. El símbolo “Pt” se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos.Otros símbolos son también usados para la clasificación:

W: bien graduado P: mal graduado L: baja plasticidad (límite líquido menor que 50) H: alta plasticidad (límite líquido mayor que 50)

SUELOS COHESIVOS Y SUELOS NO COHESIVOS.

Una característica que hace muy distintivos a los diferentes tipos de suelos es la cohesión, debido a ello se clasifican en: Suelos cohesivos y no cohesivos.

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Suelos Cohesivos: es la propiedad de atracción intermolecular que hace que sus partículas se mantengan muy unidas entre si; como las arcillas.Suelos no Cohesivos: están formados por partículas duras de diversos diámetros en forma suelta o muy sueltas como las arenas, y no poseen cohesión.

PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS SUELOS.

Son necesarias para el cálculo de la resistencia del terreno y para estimar el comportamiento que tendrá al transcurrir el tiempo; se puede determinar por medio de ensayos realizados en el laboratorio o por ensayos hechos en el lugar a cimentar.PROPIEDADES MECANICAS.Sirven para conocer las respuestas al someterlo a diferentes tipos de carga, a través de las estructuras de cimentación.- Entre las principales propiedades mecánicas tenemos:Permeabilidad: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al agua en su travesía por la masa del suelo; el grado de permeabilidad varia según el tipo de suelo.Un suelo o roca es permeable cuando contiene vacíos o fracturas continuas; los vacíos existen en todos los suelos incluyendo las arcillas mas compactas.La forma de los granos es importante especialmente en los suelos más gruesos. El grado de saturación y el aire atrapado en los poros reduce el área en la sección transversal y puede llegar hasta obstruir el paso del agua.La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: la viscosidad del fluido, distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En los suelos arcillosos la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son: la concentración iónica y el espesor de las capas del agua adheridas a las partículas de arcilla.La permeabilidad absoluta se expresa en unidades de longitud al cuadrado, es decir en centímetros cuadrados (cm²).Resistencia al corte: las obras de ingeniería son construidas sobre el suelo y es necesario garantizar su estabilidad, seguridad y economía; previendo la falla del terreno. El análisis de la estabilidad del suelo comprende los aspectos siguientes:

Analizar la fuerza actuante sobre él (peso propio del suelo, cargas aplicadas y otros). Determinar la resistencia del suelo con el objeto de establecer los valores de la cohesión y el

ángulo de fricción interna del suelo.La resistencia al corte del suelo, se cuantifica por medio de la cohesión “C” y el ángulo de fricción interna “ø” para calcular su capacidad de carga.Deformación: las deformaciones en los suelos aún bajo pequeñas cargas, es mucho mayor que la de otros materiales; este estado no se produce inmediatamente a la aplicación de las cargas, si no que se desarrollan con el transcurso del tiempo.Cuando un suelo se somete a incrementos de esfuerzos totales, como resultado del aumento de cargas aplicadas (ej: la construcción de un edificio), se produce en él un exceso de presión

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intersticial (presión de poros) que se disipa mediante un flujo de agua hacia el interior, ya que el agua no puede sufrir esfuerzos cortante. La velocidad a la cual se produce este proceso depende principalmente de la permeabilidad del suelo y la expulsión del agua, al aplicar la carga al suelo es casi instantánea según su permeabilidad y se reacomodan las partículas ocasionando fricción interna al interior de toda la masa sometida.Lo contrario ocurre con las arcillas saturadas, donde la permeabilidad es muy baja y los asentamientos ocurren lentamente con el tiempo, ya que el agua tardará mucho en ser expulsada hacia los límites permeables de la capa arcillosa.Generalmente, durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal, permanecen esencialmente con la misma posición. Así, el movimiento de las partículas del suelo, la deformación y el drenaje puede ocurrir solo en la dirección vertical, por lo que a ésta se le denomina Consolidación Unidimensional.El proceso de consolidación del suelo tiene dos consecuencias importantes:

Conduce a una reducción de volumen de los poros, y por lo tanto, a una reducción del volumen total de la masa del suelo, lo cual se manifiesta en asentamientos de la superficie del terreno natural, en el plano del contacto suelo – estructura, y por consiguiente en asentamientos de la estructura.

Durante la disipación del exceso de presión intersticial, el esfuerzo efectivo en la masa del suelo aumenta y por lo tanto se incrementa su resistencia la esfuerzo cortante.De lo anterior se deduce que cuando un suelo se consolida, se produce una disminución de la relación de vacíos acompañada por el incremento del esfuerzo efectivo.Con la consolidación se determina la deformación del suelo con el tiempo, por la acción de las cargas aplicadas en los siguientes casos: cuando hay un cambio de forma y no de volumen (deformabilidad), y cuando hay un cambio de volumen y no de forma (compresibilidad).

IMPORTANCIA Y REQUISITOS ESENCIALES DEL SUELO PARA UNA BUENA CIMENTACIÒN

La cimentación comprende la parte que soportará la superestructura, el suelo y la roca que están debajo, por lo tanto, su proyecto depende de ambos. Si en una estructura se aprecia que una viga o columna ha resultado débil, puede por lo general, reforzarse; pero si una cimentación falla y se producen asentamientos u otros problemas que hacen también fallar a la estructura, poco puede hacerse para mejorar la situación y dicha estructura quedará inutilizada.He aquí la importancia que tiene el hecho de que una cimentación ofrezca la seguridad necesaria para soportar las cargas que se impondrán. Por lo tanto deben tenerse claros los conceptos sobre la planeación, construcción, funcionamiento y comportamiento de una cimentación, para poder prever y tomar las medidas necesarias y de esta forma evitar resultados peligrosos a su posible falla.Una buena cimentación debe cumplir con los requisitos siguientes:

Debe colocarse a una profundidad adecuada para impedir daños por levantamiento o socavaciones.

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Debe presentar seguridad contra la falla del suelo. Debe asentarse lo mínimo permisible para evitar daños a la estructura.

El primer requisito encierra muchas incertidumbres para el campo de la ingeniería, ya que durante todo el tiempo que el suelo soportará la superestructura, estará sometido a diferentes fuerzas naturales y artificiales. Los dos últimos requisitos pueden ser proporcionados con seguridad por un estudio de suelos.

Capacidad de carga del suelo: es la capacidad que tiene un suelo para soportar una carga sin que se desconozca falla dentro de su masa. Puede variar tanto como la resistencia del suelo así como para la magnitud y distribución de la carga. Se puede analizarse por medio de distintas teorías como la de Therzaghi, Meyerhof y otros.

Esfuerzo en el suelo: en primer lugar el esfuerzo efectivo vertical inicial en una masa de suelo, antes de que se construya una estructura, es el debido a su propio peso, y el cual es igual al peso del suelo menos el esfuerzo neutro. Los cambios en el esfuerzo neutro pueden tener un papel importante en el asentamiento de una estructura. En segundo lugar, tenemos los esfuerzos verticales debido a las cargas en la superficie. Si el suelo tuviere el comportamiento de columnas independientes, la carga la soportaría solamente las columnas que estarían sometidas a dicha carga, y las otras permanecerían sin cambio alguno. Pero el suelo es una masa coherente en que las columnas del suelo están interconectadas elásticamente. Las cargas aplicadas en un punto se transmiten a través de toda la masa del suelo, extendiéndose lateralmente a medida que aumenta la profundidad. La representación de la distribución de esfuerzos puede obtenerse por medio de las teorías de elasticidad.

Para obtener el esfuerzo de una masa de suelo debido a una carga uniformemente distribuida en un área rectangular, se investiga el esfuerzo situado a una profundidad z debajo de una de las esquinas.

Asentamientos: las causas principales de los asentamientos en una estructura, son la distorsión y consolidación, y están directamente relacionadas con la carga de la cimentación y se controlan al proyectar la misma. Para cimentaciones en suelos que se asientan lentamente, como las arcillas saturadas, se usa en el análisis de asentamiento la carga permanente más cualquier carga accidental que sea mantenida; pero para suelos de arcilla parcialmente saturada, limos o materiales orgánicos que generalmente se asientan con rapidez, se debe usar la carga permanente más toda la carga accidental. En algunos casos es necesario calcular el asentamiento de cada columna o parte de la estructura, pero en la mayoría es suficiente conocer las partes más críticas, como en los cimientos para maquinaria, chimeneas y columnas más cargadas.Para todos los tipos de cimentaciones sobre arcilla, limos plásticos, los factores de seguridad deben ser los adecuados para evitar una falla por capacidad de carga. Sin embargo es igualmente importante hacer una estimación segura de la magnitud del asentamiento diferencial que puede experimentarse en la estructura, aunque no se exceda el valor de la carga de seguridad. Si el asentamiento diferencial estimado es excesivo, puede ser necesario cambiar la distribución o el tipo de cimentación que se está considerando.

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En la mayor parte de los casos no se justifica un elevado grado de precisión. Usualmente puede hacerse una selección correcta del tipo de cimentación, si se sabe que el asentamiento diferencial será de orden de: 1, 5 y 50 cms.

Presión admisible del suelo: para el proyecto de una cimentación es necesario conocer la presión máxima que se puede aplicar al suelo ,sin exceder la capacidad de carga y sin que se produzcan asentamientos que ponga en peligro la estructura. Antiguamente se usaban experiencias previas en suelos similares de la región, información de las cuales se hacían uso; sin embargo este método crea con frecuencia dificultades debido a que estos datos fueron hechos en tiempos remotos y en estructuras completamente diferentes a las modernas. Actualmente se usan las pruebas de carga (Ensayos de Placas, etc) para determinar la deformación del suelo.

CIMENTACIONES PROFUNDAS

PILOTES

Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y madera usados para construir cimentaciones, que son profundas y más caras que las cimentaciones superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes frecuentemente es necesario para garantizar la seguridad estructural. Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar, que generalmente tienen un diámetro mayor a la de los pilotes con o sin refuerzo de acero y con o sin un fondo ampliado.Las cimentaciones con pilotes se requieren en circunstancias especiales, entre las cuales tenemos:

Cuando el estrato superior del suelo es altamente compresible y demasiado débil para soportar las cargas transmitidas por la estructura, se usan pilotes para transmitir las cargas al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más fuerte.

Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por fricción mientras soportan a una carga vertical transmitidas por la estructura.

En muchos casos, los suelos en el sitio de una estructura propuesta pueden ser expansivos y colapsables y se pueden extender hasta una gran profundidad debajo de la superficie del terreno. Estos suelos se expanden y contraen conforme al contenido de agua (aumentan o disminuyen), y la presión de expansión de tales suelos es considerable.

Las cimentaciones de algunas estructuras como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y losas de sótano debajo del nivel freático son sometidas a fuerzas de levantamiento, recurriendo al uso de los pilotes.

Los estribos y pilas de puentes son construidos usualmente sobre cimentaciones con pilotes para evitar la posible pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial podría padecer debido a la erosión del suelo en la superficie del terreno.SEGÚN SU FORMA DE TRABAJO:

a) Pilotes que trabajan de Punta:

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Es cuando un pilote trabaja principalmente como una columna que soporta una carga en su extremo superior y apoya su punta sobre un estrato firme. Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de capas de roca o material rocoso en un sitio dentro de una profundidad razonable, los pilotes se pueden extender hasta el estrato rocoso y si en vez de un lecho de roca se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se extenderán unos pocos metros dentro del estrato duro. Entonces la carga última de los pilotes se expresa como:Qu = Qp + Qs

donde: Qu : carga última del piloteQp: carga tomada en la punta del piloteQs: carga tomada por la fricción superficial desarrollada lateralmente en el pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote)Si Qs es muy pequeña, entonces: Qu = Qp

Ecuación generad de Meyerhof (1976) para el cálculo de capacidad de carga por punta:Qp = Ap (cNc* + q´Nq* )…………… Ecuación Meyerhofdonde:Qp: resistencia de la puntaAp: área de la punta del pilotec: cohesión del suelo que soporta la punta del piloteq´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del piloteNc*, Nq*: factores de seguridad de carga, a partir del ángulo de fricción interna del suelo (φ).

b) Pilotes que trabajan por Fricción:Estos trabajan cuando no se tiene un estrato de roca o de material rocoso a una profundidad considerable. Estos pilotes resultan muy largos y antieconómicos, para este tipo de condición del subsuelo, los pilotes se hincan a través de materiales más blandos a profundidades específicas. La carga última de estos pilotes es expresada por la ecuación:Qu = QsEsta fórmula se expresaría así, si el valor de Qp es relativamente pequeñoEcuación general para el cálculo de resistencia por fricción:Qs = Σ p ΔLfdonde:Qs: carga tomada por la fricciónp: perímetro de la sección del pilote.ΔL: longitud incremental del pilote sobre la cual “p” y “f” se consideran ctes.F: resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad.

PILAS DE CONCRETO

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En la ingeniería de cimentación el término Pila tiene dos significados diferentes:

Una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función igual al de una zapata, es decir, transmitir las cargas a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad y del ancho de una pila de cimentación es mucho mayor que el de una zapata.

Una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente. Usualmente la pila sobresale de la superficie del terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición puede considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada en una cimentación adecuada.

Ecuación general para el cálculo de capacidad de carga:Qp = Ap (cNc* + q´Nq* + 0.3γDbNγ*)donde:Qp: capacidad de carga de la pilaAp: área de la punta de la pilac: cohesión del suelo que soporta la punta de la pilaq´: esfuerzo vertical efectivo al nivel del fondo de la pila perforadaNc*, Nq* Nγ*: factores de capacidad de cargaγ: densidadDb: diámetro de la base

Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar y que generalmente tienen un diámetro aproximadamente de 750 mm ó más. El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene las siguientes ventajas:

Se puede usar una sola pila de concreto en vez de un grupo de pilotes. Se construyen antes que las operaciones de nivelación estén completas. Cuando se hincan pilotes con un martinete, las vibraciones del terreno ocasionan daños a

estructuras cercanas, lo que no ocurre con las pilas. No hay ruido de martilleo durante su construcción. Como la base de una pila de concreto puede ampliarse, esto proporciona una gran resistencia

a la carga de levantamiento. La superficie sobre la cual la base de la pila se construye, puede ser inspeccionada

visualmente. Las pilas de concreto tienen alta resistencia a las cargas laterales.

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Objetivos Uno de los principales objetivos es elaborar un documento que sirva como orientación

general, sobre los estratos de suelos a encontrar en diferentes ciudades, y en las zonas desfavorables la aplicabilidad de cimentaciones profundas coladas in situ.

Otros objetivos más específicos son: Realizar una delimitación de áreas en estudio para cualquier ciudad, la cual tendrá como

prioridad los suelos compresibles que no son de beneficio para la cimentación. Determinar las propiedades de los suelos a encontrarse en las zonas de estudio, por medio de

la recopilación de estudios de suelos y los ensayos propuestos a realizarse. Aplicar cimentaciones profundas en los suelos desfavorables encontrados previamente

determinados en las zonas del área de estudio. Establecer los procesos constructivos colados in situ, en los lugares donde se requieran las

cimentaciones profundas. Proporcionar un documento donde se puedan describir las zonas en las cuales se encuentren

las arcillas compresibles, su profundidad y resistencia a ser fundadas. Elaborar un material de consulta para la construcción de edificaciones de gran magnitud o una

estructura con requerimientos y/o estudios de cimentaciones profundas.

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Metas Elaborar un documento con los resultados de ensayos de suelos actualizados de las zonas

delimitadas por la investigación. El manejo ordenado de información para poder realizar la cimentación profunda

correspondiente Determinar el tipo de cimentación profunda a utilizar en el suelo más desfavorable encontrado Concentrar la información de los trabajos previos que tratan el problema en una base de datos

digital, que en el futuro facilitará su acceso, lectura e impresión. Generar un plano vectorial digital único para ordenar la información geográfica, geofísica,

geológica, de grietas existentes y de probables grietas futuras etc., así como la información espacial generada y permitir el estudio global del fenómeno y la consulta.

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Metodología

Cargas Actuantes sobre las CimentacionesLas cargas actuantes sobre las cimentaciones corresponden a las reacciones resultantes del análisis estructural de las torres para cada una de sus patas y de estas reacciones se seleccionan las que producen los esfuerzo máximos en la cimentación. Estas cargas actuantes están orientadas con respecto a tres ejes ortogonales como se muestra a continuación (véase Figura 1):FA Carga máxima de compresión en dirección vertical, en kN(+) FA Carga máxima de tensión en dirección vertical, en kNFT Carga correspondiente en dirección transversal a la línea, en kNFL Carga correspondiente en dirección longitudinal a la línea, en kN

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Análisis por Carga VerticalEl dimensionamiento de los pilotes debido a carga vertical (compresión o tensión) se llevó a cabo considerando que el pilote más desfavorable debe cumplir el siguiente requisito:

Pmax ≤ Pa=Pu

FS=

P pu+¿ Pfu

FS¿

Donde:Pmax=Carga vertical máxima aplicada al pilote debido alas reacciones resultantes (kN ) .Pa=Capacidad decarga admisibledel pilote ( kN )Pu=Capacidad de carga vertical última del pilote (kN ) ,calculada a partir de las propiedadesde resistencia del subsueloFS= Factor de SeguridadPpu=Capacidad de carga última por punta del pilote (kN); igual a cero para fuerza vertical de tensión.Pfu=Capacidad de carga última por fricción del pilote (kN)

Capacidad de Carga Última por Punta del Pilote

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Para el caso de suelos puramente cohesivos la capacidad de carga última por punta del pilote se determina mediante (Bowles, 1977):

Ppu=c N c A p

Donde:c= Cohesión promedio del suelo (kN/m²)N c=Factor de capacidad de carga del sueloAp=Área transversal del pilote (m²)

PROGRAMA DE CÓMPUTO

Para llevar a cabo el diseño de las cimentaciones profundas con pilotes se desarrolló un programa (Muñoz, 1999) de computadora en lenguaje Visual Basic V3.1. El diagrama de flujo de este programa se muestra en la Figura 7 cuya nomenclatura utilizada es la siguiente:

NP Número de pilotesLP Longitud del pilote por carga axialPADC Capacidad de carga admisible de compresión (o tensión) del piloteLPL Longitud del pilote por carga lateral AROR Capacidad de carga admisible lateral del piloteLPMAX Longitud máxima del pilote; fijada por el usuarioNPMAX Número máximo de pilotes; determinado por la geometría de la torre

PROCESO DE NORMALIZACIÓNConceptos GeneralesEl proceso de normalización consiste primeramente en analizar y diseñar los componentes de la cimentación (dado, cabezal, pilote y trabe de liga) para una torre en particular y para cada nivel de ésta considerando un conjunto de parámetros del suelo. Una vez realizado el análisis y diseño para cada nivel de la torre, se procede a seleccionar los componentes de la cimentación que sean comunes entre sí para los diferentes niveles de la torre. Este proceso de normalización se realiza mediante una Macro elaborada en EXCEL en donde se leen los archivos de resultados del programa PILOTES y se procesa esta información para dar como resultado diferentes tablas que se incluyen en los planos de cimentaciones de la torre en estudio.Parámetros de los componentesLos pilotes se limitaron a ser de sección cuadrada de 40 y 45 cm de ancho y tener una longitud máxima de 15 m. Todos los componentes son de concreto reforzado considerando una resistencia mínima a la compresión de 24.53 MPa excepto en los pilotes cuya resistencia mínima fue de 29.43 MPa. El esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo se consideró de 412.02 MPa.Parámetros del Suelo

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Para el caso de suelos cohesivos se consideraron tres distintas cohesiones promedio: 13.36, 28.62 y 57.24 kPa, y un peso volumétrico en el intervalo 12.75 – 18.63 kN/m3 . Para suelos no cohesivos se consideraron tres ángulos de fricción interna: 20, 25 y 30º, con sus intervalos de pesos volumétricos de 12.75 – 14.70, 14.71 - 17.15 y 17.16 – 18.63, respectivamente. Para ambos tipos de suelo (cohesivos y no cohesivos) se consideró la condición de suelo húmedo y suelo sumergido. El factor de seguridad fue de 2.5 tanto para el análisis por carga vertical como para el análisis por carga horizontal.

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Calendarización

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Impacto beneficios en la solución a un problema

Cuando es imposible proveer una adecuada solución para una estructura, sólo con una cimentación superficial, el uso de cimentaciones profundas se vuelve imprescindible. Esta situación se puede deber a muchos factores, ya sea por las características del subsuelo, por el orden en que sus diferentes estratos se presentan, la naturaleza de las cargas que se transmitirán al subsuelo, las características del lugar, el fin operativo de la superestructura, etc.

De igual manera, existen muchos factores que pueden intervenir en la elección entre una cimentación profunda y una cimentación superficial, o el uso de las dos.

Cuando el estrato o estratos superiores del suelo son altamente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura, el uso de cimentaciones profundas puede garantizar la transmisión de la carga al lecho rocoso o a una capa resistente. Cuando no se encuentra un lecho rocoso o una capa dura a una profundidad razonable debajo de la superficie del terreno, se usa un tipo de cimentación profunda especial para transmitir la carga actuante al suelo, donde la resistencia a dicha carga se deriva principalmente de la resistencia a la fricción desarrollada en la interfaz suelo-estructura.

Existen estructuras que están sometidas a importantes fuerzas horizontales, por lo que la implementación de una cimentación profunda es la adecuada, ya que pueden resistir muy bien las acciones por flexión mientras soportan la carga vertical transmitida por la superestructura. Este tipo de situaciones se encuentran generalmente en el diseño y construcción de la cimentación de estructuras altas que están sometidas a grandes fuerzas de viento y/o sísmicas.

En muchos casos, la cimentación profunda se utiliza en la presencia de suelos expansivos y colapsables, que se extienden a una gran profundidad por debajo de la superficie del terreno. Los suelos expansivos se hinchan y se contraen, por así decirlo, conforme el contenido de agua crece y decrece (cuya presión de expansión es considerable). Si se usaran cimentaciones superficiales en tales circunstancias, la estructura sufriría daños importantes. Sin embrago, la cimentación profunda se considera como una alternativa cuando dichos suelos se extienden más allá de la zona activa de expansión y compresión.

Algunas veces se usan pilotes como elementos de cimentación para resistir las fuerzas de levantamiento; por ejemplo, algunas estructuras como torres de transmisión, plataformas fuera de costa, losas de sótano debajo del nivel freático, casas habitación, entre otras.

Los estribos y columnas de puentes son usualmente construidos sobre elementos de cimentación profunda, para evitar la posible pérdida de capacidad de carga que una

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cimentación superficial puede sufrir por la erosión y socavación del suelo en la superficie del terreno.

Las cimentación profunda puede proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones, momentos de volteo o cualquier efecto que trate de levantar la estructura, de manera que estos elementos de cimentación trabajan a tensión.Las cimentaciones profundas pueden clasificarse de la siguiente manera:

1. De acuerdo a su material de fabricacióna. Concretob. Aceroc. Mixtos (concreto armado)d. Madera

2. De acuerdo al procedimiento constructivoa. Con desplazamiento de subsuelob. Con poco desplazamiento de subsueloc. Sin desplazamiento de subsuelo

3. De acuerdo a su transmisión de carga al subsueloa. Carga verticali. Puntaii. Friccióniii. Mixta (punta y fricción)b. Carga vertical y horizontal

Explicados anteriormente en este documento.

También se ven as ventajas y desventajas más importantes que se tienen al resolver una cimentación profunda a base de pilas, con respecto a una solución a base de pilotes son las siguientes:

Ventajas

-considerando que las pilas son elementos fabricados in situ, no requieren de área adicional para una planta de fabricación y para su almacenamiento como elementos terminados.

-Las pilas no están expuestas a sufrir daños estructurales ya que no se requiere de que sean maniobradas y golpeadas para su instalación como sucede con los pilotes.

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-los decibeles generados durante la instalación de una pila son muy inferiores, a los que se generan al instalar un pilote prefabricado.

-la longitud de las pilas puede ser variable dependiendo de la profundidad de los estratos resistentes, pudiendo hacerse los ajustes correspondientes prácticamente en forma inmediata, lo cual no están versátil en el caso de los pilotes ya que estos son prefabricados.

-la fabricación de las pilas siempre es monolítica y no requiere de juntas especiales, como sucede en algunos pilotes que son instalados en tramos.

-las pilas pueden ser instaladas en subsuelos con presencia de gravas y boletos, aplicando el procedimiento adecuado que permita la estabilización de la pared de las perforaciones, lo cual no es posible llevar a cabo para cimentaciones a base de pilotes, ya que el diámetro de las perforaciones es inferior a 1.20m (4ft), dimensión que permite la extracción de los obstáculos.

-la capacidad de carga de las pilas es mayor que la de los pilotes, debiéndose sin embargo considerar el efecto de escala.Desventajas:

-las pilas requieren siempre de perforaciones previas, mientras que los pilotes en ocasiones pueden ser instalados desplazando el subsuelo.

-cuando existen estratos de subsuelo sin consistencia, no es posible realizar la construcción de pilas con calidad, ya que su sección puede llegar a deformarse, lo cual no sucede con un elemento prefabricado; se puede resolver este problema con tubería metálica perdida, lo cual origina un incremento en el costo.

-en la fabricación de pilas es necesario siempre garantizar que en el desplante de las excavaciones no existan material suelto.

-Los cambios de presión del agua subterránea pueden cercenar el fuste de las pilas durante su fabricación, cuando se utilizan además metálicos recuperables y no son retirados adecuadamente.

-el procedimiento constructivo de las pilas sobre agua se complica, al tener que evitar el vaivén de la plataforma flotante donde se apoya el equipo de construcción, así como tener que aislar el cuerpo de la pila en la zona donde no existen suelo que lo confine.

-el sistema de ademado de las perforaciones requiere mayor control que en el caso de los pilotes, ya que de este depende en forma importante la calidad de las pilas.

Como seleccionar el tipo de puente o pila y cilindros

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Entre todas las soluciones posibles, ¿cómo ha de elegirse el mejor proyecto de puente para un caso particular? En la práctica el planteamiento del proyecto de los cimientos -pilas y estribos- y de la superestructura constituye un problema general en el que cada parte está influenciada y depende de cierta forma por las otras. En primer lugar el puente ha de tener cierta capacidad y resistencia para satisfacer el tráfico que transita, además deberá de ser la más apropiada, económica, factible para su construcción y tendrá que satisfacer ciertas características estéticas y de vida útil.

Entre las cosas más importantes que deben tomarse en cuenta para la elección de las características básicas de la estructura y cimentación de un puente, figuran las siguientes:

1. Los grandes claros horizontales y verticales necesarios para la navegación (cuando el puente cruza un brazo de mar o río) pueden afectar el planteamiento del proyecto de tal manera que únicamente son factibles las estructuras de tramos largos y altos.2. Es posible que se requiera una estructura de gran altura y con tráfico continuo, por lo que es conveniente utilizar algunos puntos altos de cimentación y de tramos altos.3. Los accesos largos y elevados pueden resultar mucho más costosos que es posible que convenga más una estructura de un nivel más bajo y un tramo o tramos móviles.4. Los puentes de tablero superior proporcionan una mejor vista del paisaje que los de tablero inferior, especialmente en los puentes carreteros de manera que, si los claros verticales no son importantes para tramos de igual longitud, los arcos y/o vigas rectas de los puentes de tablero superior resultan más económicas que las de tablero inferior además, se requieren pilas más pequeñas.5. Debe tomarse en cuenta la elección del material para la construcción, ya sea concreto o acero, ya que cada uno, además del costo, es particularmente apto para ciertos tipos de estructura.6. La topografía del terreno influye claramente en el diseño de la cimentación y en algunos casos puede ser de utilidad en la construcción de la misma.7. La cantidad de fondos disponibles para el proyecto, si bien puede condicionar muchas de las acciones del ingeniero, no es una excusa para que se deje de lado la seguridad de la obra, antes, durante y después de su construcción.8. El tipo de tráfico también puede ser una limitante en el diseño de la estructura, por ejemplo un puente ferroviario requiere de una estructura rígida, de manera que es más aconsejable el empleo de vigas robustas y pilas adecuadas.9. Las preferencias personales del propietario, del arquitecto y las del propio ingeniero pueden tener gran importancia al hacer la elección.

Elección del tipo de pilote

La manera de elegir un determinado tipo de pilote se basa en las condiciones del subsuelo, las características de hincado del pilote, el comportamiento esperado de la cimentación y la

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economía; éste último aspecto debe basarse en el costo total de la cimentación y no únicamente en el costo de los pilotes.

Recomendaciones

No se deberá considerar para la ejecución de los diferentes tipos de cimentaciones, los valores de las tablas estratigráficas recopiladas con la información de los estudios de laboratorios, realizados en los suelos, ya que son representaciones generales y promedios que sirvieron de base en esta investigación.Es conveniente en el área a construir, realizar una exploración geotécnica exhaustiva de la zona, con los diferentes ensayos de laboratorio. Dependiendo de la magnitud de la obra, es recomendable realizar ensayos triaxiales y de consolidación.Como ingeniero realizador o constructor de la obra es necesario conocer las propiedades y características de suelos, para poder determinar y verificar la capacidad de carga del suelo que soportará la estructura, ya que generalmente el subsuelo de la ciudad es predominante el material arcilloso.Para la construcción de todo tipo de edificación, utilizando cimentaciones profundas, será necesario realizar un buen sistema de drenaje, con el objeto de evitar posibles infiltraciones en el subsuelo y reducir la capacidad de carga del pilote.Se recomienda utilizar para el tipo de pilote a construir, el método de Pilotes de concreto colados in situ, ya que son los más utilizados en nuestro país, ya sean por condiciones económicas de la mano de obra y factibilidad de maquinaria para su construcción.

El constructor o ingeniero encargado de la obra de pilotaje, deberá estar presente en las actividades como: perforación, colocación del acero, colado del concreto y otras. Y se deberán realizar las pruebas necesarias para la verificación del concreto utilizado en la construcción de los pilotes.

Las cimentaciones son elementos de una estructuras que pasan a conforma una parte esencial de la misma debido a que ellas van a permitir la comunicación de la cargas de la estructuras hacia el terreno, con lo que ayudan al terreno, al suelo, a resistir esta cargas, por lo que el mismo no sufrirá y se comportara idealmente para las condiciones que se está sometiendo. Por lo tanto la cimentación viene a conforma las bases de la estructura y de ahí que el comportamiento de edificación u obra civil va estar forzado a como esta trabaje y se comporte.

Debido a la importancia que cobra la cimentación, la misma esta forzada a cumplir con ciertos parámetros geométricos, de presión, de conformación que responden a las características del suelo y de las cargas de la estructuras y los cuales se esbozaron a lo largo del trabajo. Por lo tanto el diseño de una cimentación no es algo que se realiza de manera intuitiva sino que cumple con una metodología de diseño que evalúa desde la forma de la cimentación hasta la profundidad que esta va comprender, así como también las características naturales del suelo.

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Referencias

Das, B. M. (2001). Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. México: Thomson Learning. López, M. J. (2007). Comportamiento y Diseño de Cimentaciones Profundas en la Ciudad de

México. México: Academia de Ingeniería, A.C. Cámara Nacional de la Industria de la Construcción, Sociedad Mexicana de Ingeniería

Estructural, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. (1994). Cimentaciones Profundas. 2do Simposio Consultores Constructores (pág. 149). México: Cámara Nacional de La Industria de la Construcción.

Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das, 2001, Editorial Thomson Learning. Manual de Cimentaciones Profundas, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos A.C., 2001,

Editorial Regina de Los Angeles S.A. Agustín Deméneghi Colina, Margarita Puebla Cadena. (2008). Análisis y Diseño Geotécnico

de Pilas y Pilotes. México: UNAM FI. Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001, Editorial Thomson Learning. Ingeniería de Cimentaciones, Peck. Hanson. Thornburn, 1993, Editorial Limusa S.A. de C.V. Cimentaciones, A.L. Little, 1965, Editorial Continental S.A.

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