CIMENTACIONES DEFINICIÓN DE LAS SITUACIONES DE PROYECTO

La situación de proyecto está definida por el terreno y sus parámetros geotécnicos, la geometría de la cimentación y las acciones.

Para el análisis de la seguridad de una cimentación deben estudiarse las situaciones de proyecto de manera que definan la obra durante su construcción y a lo largo de su vida útil.

1. CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA
A efectos de analizar la seguridad de una cimentación superficial frente a los modos de fallo que más adelante se consideran, las cimentaciones superficiales deben representarse mediante formas geométricas suficientemente simples de manera que puedan ser susceptibles de análisis según el método de cálculo que se vaya a utilizar.

Para comprobar la seguridad frente a los estados límite últimos, conviene definir la geometría de las cimentaciones mediante sus dos dimensiones principales en planta: anchura y longitud.

En lo que sigue, para el estudio de las cimentaciones superficiales se adoptará la siguiente terminología:

B =Anchura (dimensión menor en planta).
L = Longitud (dimensión mayor en planta).
D = Profundidad de cimentación (cota roja del plano de apoyo).

Existen fórmulas de cálculo que sólo son aplicables a cimentaciones con forma rectangular.

Cuando la cimentación en estudio tenga una forma en planta no rectangular, habrá que determinar la cimentación rectangular equivalente. Para ello, una vez definidas las acciones, deben seguirse las recomendaciones que se indican en el epígrafe 5. El conocimiento previo de las acciones es asi- mismo necesario, pues dicha equivalencia depende del punto de aplicación de las cargas que actúan sobre la cimentación.

Para hacer los cálculos que en adelante se indican, es necesario definir la profundidad de cimentación, D, que será igual al espesor de tierras, medido en vertical, que existe entre el plano de apoyo del cimiento y la superficie del terreno en el contorno de la zapata. Normalmente dicha profundidad será variable a lo largo del contorno del elemento de cimentación, y podrá variar también con el paso del tiempo (excavaciones, erosiones, etc.). A los efectos de su consideración en el cálculo, conviene elegir el valor menor de D que sea compatible con las circunstancias específicas de la situación de proyecto considerada.

La definición del terreno de apoyo de la cimentación resulta esencial. Deberán describirse los límites que separan los distintos terrenos. Para ello, se utilizarán contornos simplificados que traten de ajustarse, por el lado de la seguridad, a la situación real.

Es fundamental la consideración de los efectos de posibles socavaciones y erosiones en la geometría del problema en estudio. Siempre debe pensarse, aunque sea en el contexto de una situación accidental, si el terreno que rodea la cimentación puede ser arrastrado. La definición precisa de la situación del nivel freático que corresponde a cada situación de pro- yecto resulta imprescindible en el análisis de este tipo de cimentaciones.

La configuración geométrica del terreno en el entorno de la cimentación y la situación del nivel freático pueden ser diferentes a lo largo de la vida de la obra y por ello, puede ser necesario el análisis de situaciones persistentes, transitorias y accidentales.

2. CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS
Los datos más importantes, los que más afectan al proceso de comprobación de la seguridad y, a su vez, los que resultan más difíciles de precisar, son los relativos a la resistencia, deformabilidad y permeabilidad del terreno.

Las características del terreno habrán de determinarse para cada uno de los niveles, estratos o litologías que se hayan identificado previamente en la configuración geométrica.

2.1. Resistencia
Las formas de caracterizar la resistencia del terreno son muy variadas y, como consecuencia, existen diversos procedimientos de comprobación adecuados a cada una de las formas de caracterización de la resistencia del terreno.

Las formas que se recomiendan en esta Guía son las siguientes:

• Como norma general, siempre que sea posible se realizará una determinación directa de la resistencia mediante ensayos de laboratorio (triaxial o corte directo) que permitan definir los parámetros del modelo de Mohr-Coulomb correspondiente al esqueleto del sue- lo (cohesión y ángulo de rozamiento).
• En suelos arenosos limpios, que no tengan cohesión, será muy difícil tomar muestras inalteradas y la determinación anterior puede resultar complicada. A pesar de ello deberá realizarse un estudio específico que permita obtener el ángulo de rozamiento correspondiente mediante ensayos de campo de otro tipo (SPT, piezocono, etc.) y ensayos de laboratorio con muestras recompactadas, debidamente interpretados.
También es posible la compro- bación directa de la seguridad mediante los procedimientos que se indican en 4.5.1 y 4.5.2.
• En formaciones rocosas, puede utilizarse el procedimiento de comprobación que se indica en el epígrafe 4.5.3.
• En suelos cohesivos es posible, como alternativa al método general (cálculo analítico de la carga de hundimiento), representar la resistencia del terreno mediante parámetros relacionados con ella como son los siguientes:
• — Resistencia por punta en ensayos de penetración estática.
• — Presión límite en ensayos presiométricos.

Para realizar las comprobaciones pertinentes a los problemas de estabilidad global, será necesario estimar, directa o indirectamente, parámetros de resistencia explícitos. Normalmente serán los datos de cohesión y ángulo de rozamiento del modelo de Mohr-Coulomb. Para realizar las comprobaciones de seguridad que corresponden a las situaciones de «corto plazo» que se definen en 4.1, será necesario definir la resistencia al corte sin drenaje. Este dato puede obtenerse directamente mediante ensayos de laboratorio (ensayos triaxiales UU, preferentemente) o mediante ensayos de campo (ensayos de molinete) o bien indirectamente mediante otros ensayos de campo (penetrómetros estáticos, presiómetros, etc.).

2.2. Deformabilidad
Normalmente no será necesario utilizar parámetros representativos de la deformabilidad del terreno para comprobar la seguridad de las cimentaciones superficiales frente a los estados límite últimos.

Para comprobar la seguridad frente a estados límite de servicio será necesario calcular los movimientos de la cimentación (generalmente asientos), lo cual requiere definir los parámetros de deformabilidad del suelo.

Dependiendo del tipo de terreno y del tipo de cálculo, se pueden requerir algunos de los parámetros siguientes:
• Para el cálculo con modelos elásticos lineales, el módulo de elasticidad y el módulo de Poisson (E, ν) del esqueleto del suelo.
• Para el cálculo con el modelo edométrico, el índice de poros inicial eo, el índice de com-
presión Cc, el índice de entumecimiento (o hinchamiento) Cs, y la presión de preconsolidación pc.
• Para el cálculo basado en ensayos de campo habrá de recurrirse a los parámetros obtenidos de los mismos, según el caso de que se trate.

En casos de especial importancia puede ser conveniente utilizar modelos de comportamiento más complejos cuya descripción no constituye el objeto de esta Guía.

La permeabilidad de los distintos terrenos afectados por las cimentaciones superficiales puede tener importancia por varios motivos. Entre otros, porque puede condicionar la distribución de presiones intersticiales que intervendrán en los cálculos de comprobación de la seguridad.

Por otro lado, en los suelos impermeables se pueden generar, como consecuencia de las cargas aplicadas, excesos transitorios de presión intersticial que habrán de considerarse según se especifica en 4.1.

La determinación de la permeabilidad del terreno puede hacerse mediante los ensayos de campo y laboratorio indicados en la Parte 3 de esta Guía.

2.4. Otros parámetros
En general, para los cálculos de comprobación de las cimentaciones superficiales, será preciso conocer los pesos específicos de cada uno de los diferentes terrenos que se hayan identificado, en cada una de las posibles situaciones (aparente, seco, saturado y sumergido).

También pueden ser necesarios otros datos que se especificarán en su caso en los procedimientos de cálculo correspondientes.
3. ACCIONES
Para realizar las comprobaciones que más adelante se indican, han de considerarse las acciones que puedan actuar sobre la cimentación. La forma de evaluar cada acción depende del tipo de comprobación a realizar y de la metodología que se vaya a seguir.

Para aplicar la metodología de los coeficientes de seguridad globales que se describe en el cuerpo de esta Guía, se valoran las acciones según se indico anteriorment. Para aplicar la metodología de los coeficientes de seguridad parciales (cuando ésta sea adecuada), se seguirán las recomendaciones que se indican en el Apéndice 1.

En las cimentaciones superficiales que se establezcan en la zona de inundación de cursos fluviales, se considerará el empuje de agua como acción accidental en avenidas extraordinarias (período de retorno de 500 años) y como acción variable en avenidas cuyo período de retorno sea de 50 años (aproximadamente). También se considerará como acción permanente el empuje ocasionado por caudales cuyo período de retorno sea de 5 años (aproximadamente).

En cualquier caso, las zapatas de cimentación en cursos fluviales habrán de quedar suficientemente enterradas como para no ser expuestas al flujo del agua. Los empujes a los que se hace referencia en el párrafo anterior son los que actúan sobre las pilas. En todo caso, deben adoptarse las medidas constructivas adecuadas, de manera que los cimientos afecten lo menos posible al movimiento del agua y sus arrastres.

4. CLASIFICACIÓN DE LAS SITUACIONES DE PROYECTO
Las situaciones de proyecto quedan definidas una vez se establece la configuración geométrica de la cimentación, las acciones que pueden actuar sobre ella durante el período de tiempo establecido para dicha situación y las características geotécnicas del terreno de cimentación.

En términos generales y desde el punto de vista temporal, deberán estudiarse situaciones de proyecto que cubran las posibles circunstancias que puedan existir tanto durante la construcción como durante la vida útil de las cimentaciones.

Las situaciones de proyecto habrán de agruparse en alguno de los tres tipos siguientes:

a) Persistentes.
b) Transitorias y de corto plazo.
c) Accidentales.

4.1. Situaciones de «corto plazo»
El comportamiento del terreno obliga, en ciertas circunstancias, a establecer unas situaciones de proyecto específicas denominadas de «corto plazo».

Las situaciones de «corto plazo» se dan cuando el terreno de cimentación está saturado y cuando, además, su permeabilidad es suficientemente baja. En esas condiciones las cargas aplicadas al cimiento pueden provocar incrementos de presión del agua intersticial, u, que existe en el terreno.

A medida que pasa el tiempo, este exceso de presión intersticial se disipa, al tiempo que el terreno se comprime y se expulsa la parte de agua correspondiente (proceso de consolidación).

El ingeniero ha de juzgar si, en el cimiento en estudio, pueden darse estas circunstancias. Para ello puede ser necesario realizar ciertos cálculos específicos para evaluar los tiempos de consolidación. En términos generales y salvo justificación expresa en contra, se supondrá que la situación de corto plazo es posible siempre que el coeficiente de permeabilidad del terreno saturado sea inferior a k =10–4 cm/s.

Se denomina «situación teórica de corto plazo» a aquella en la que, después de concluir la aplicación de la carga, el terreno no ha disipado prácticamente nada de la presión intersticial que generó la aplicación de las cargas. La resistencia al corte del terreno es la misma que antes de aplicar las cargas. La posible mejora de la resistencia que se producirá a medida que avance el proceso de consolidación, no se habría producido aún.

La forma más habitual de cálculo de las situaciones teóricas de corto plazo consiste en suponer que el conjunto del terreno y el agua de saturación, se comporta como un material puramente cohesivo (Øcálculo = 0) y con una cohesión igual a la resistencia al corte sin drenaje (ccálculo = su). Esta última se evaluará para el momento correspondiente al inicio del proceso de carga.

Para el análisis de las situaciones de corto plazo resulta también admisible calcular las presiones intersticiales del agua y utilizar los parámetros de resistencia al corte efectivos del esqueleto del suelo, si bien este segundo procedimiento es, en la mayoría de los casos, más complicado. La introducción del concepto teórico de «corto plazo» es sólo una simplificación conveniente para resolver algunos problemas específicos.

5. CIMENTACIÓN RECTANGULAR EQUIVALENTE

  
6. PRESIONES VERTICALES
El cálculo de la presión vertical media y de la inclinación de la resultante será necesario para comprobar la seguridad frente a hundimiento, deslizamiento y vuelco según los procedimientos que más adelante se indicarán.

Para cada una de las distintas combinaciones de acciones y después de obtener las dimensiones de la cimentación rectangular equivalente, se calculará la presión vertical media que se define mediante la expresión siguiente:

Se entiende por componente vertical de la resultante efectiva de las acciones, V, la componente vertical total disminuida en la posible subpresión que pudiera existir en el plano de contacto cimiento-terreno. A estos efectos, si la aplicación de la carga hubiera provocado algún incremento de presión intersticial en el contacto, dicho incremento no se contabilizará como subpresión.

En el valor de V se incluirán no sólo las acciones de la estructura, sino también el peso propio del elemento de cimentación y además el de las tierras que pudieran gravitar sobre ella.

En las componentes horizontales, H, de las acciones se incluirán también los empujes de tierras y/o del agua que pudieran actuar en las caras laterales de las zapatas que no quedasen com- pensados por empujes homólogos actuando en las caras opuestas. Los casos particulares en los que estos empujes resultan críticos en la evaluación de la seguridad de las cimentaciones se identifican en la Parte 6 de esta Guía.

También habrán de determinarse, para cada situación de proyecto y combinación de acciones, el ángulo δ, que mide la desviación de la carga respecto a la vertical, así como sus componentes según dos direcciones ortogonales:


Normalmente, el plano de cimentación será horizontal, así se ha supuesto hasta este momento. Si ese plano tuviese una ligera inclinación, los conceptos vertical y horizontal pueden cambiarse por normal y tangencial al plano de cimentación y seguir aplicando las reglas que se indican en adelante. Inclinaciones superiores al 3H:1V requieren técnicas de análisis específicas fuera del alcance de esta Guía.

Con este cálculo resultará una colección de valores de las dimensiones equivalentes de la cimentación, de la presión vertical media y de las inclinaciones de la acción (B*, L*, pv, δ, δB, δL) re- presentando cada una de las situaciones consideradas. En general, todas ellas habrán de utilizarse para evaluar la seguridad de la cimentación frente a cada uno de los modos de fallo.

La presión de servicio es un valor representativo de las presiones verticales que se producen en las diferentes situaciones de proyecto y que previamente habrán sido determinadas siguiendo los criterios establecidos en el epígrafe precedente.

Una vez calculadas las presiones verticales medias que corresponden a cada combinación de acciones, se elegirá como valor representativo o «presión de servicio», que se denominará psv, el mayor de los tres siguientes:

a) El correspondiente a la situación persistente con la combinación de acciones casi permanente.
b) El resultado de dividir por 1,10 el mayor de los siguientes valores:

• El mayor valor de entre los correspondientes a las combinaciones de acciones características (en situaciones persistentes o transitorias y de corto plazo).
• El mayor valor de entre las situaciones transitorias y de corto plazo con la combinación de acciones casi permanente.

c) El mayor de los correspondientes a las situaciones accidentales, dividido por 1,25.

Este valor representativo de la presión vertical media de la cimentación se entenderá, en lo que sigue, como sinónimo de «presión de servicio».

Los valores representativos de las dimensiones equivalentes de la cimentación (B*, L*) serán aquellos asociados a la situación a), b) o c) recién expuestas que resulten condicionantes para la de- terminación de la presión de servicio.

El valor representativo de la inclinación de la carga δ será, del mismo modo, aquel asociado a la situación que condicione el valor representativo de pv.

El cálculo previo de la presión de servicio psv, no es necesario para comprobar (según los pro- cedimientos que se describen en esta Guía) estados límite diferentes del de hundimiento. Tampo- co es necesario cuando se compruebe el estado límite último de hundimiento de acuerdo con el mé- todo analítico descrito en el epígrafe 4.5.5, válido tanto para situaciones a corto como a largo plazo, tal y como se especifica en el mismo. Tampoco es necesario el cálculo de psv para aplicar los pro- cedimientos descritos en 4.5.4.

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