SUELOS Y FUNDACIONES

El suelo es el primer elemento estructural y por lo tanto es el elemento mas importante a tener en cuenta. Esta impuesto en el lugar y no se lo puede cambiar. La cimentación debe adaptarse a él: para el proyectista el suelo es fundamental, por lo tanto hay que conocerlo bien para poder seleccionar el tipo de fundación mas apropiado. Se lo considera como un material mas que hace a la construcción y cumple la función de soportar las cargas del edificio, sean estas verticales (peso propio del edificio), horizontales (vientos y sismos) o negativas (arrancamientos producidos por  la succión del viento. El tipo de fundación a utilizarse ira en función al tipo de suelo que se encuentre en el terreno. Para determinar  el   tipo de suelo en el  que nos encontramos,  se ejecutan unos estudios o ensayos  de suelos,  de  lo que nos ocuparemos mas adelante.

Unos de los problemas más frecuentes de los suelos es su heterogeneidad,   la   que   puede   darse   en   distancias  muy cortas,   encontrándonos con comportamientos  muy diferentes en un mismo lote o uno relativamente chico, tal como lo muestra la figura.

Nunca habrá un suelo homogéneo, es decir uno constituido íntegramente por un solo material.

Algunas definiciones:

Material   heterogéneo   producido   por   una   cantidad   de elementos aglomerados en la corteza de la tierra, formado a través del   tiempo,   los que en  la mayoría de  los casos son afectables por el agua.

Suelo   es   todo   agregado   natural   de   partículas   naturales separables   por   medios   mecánicos  (como   ser   agitación   mecánica).   El   agua   que   estos   contienen,   influye   en   su comportamiento, y se lo considera como parte integrante del material (suelo).

Terreno de fundación - Caracteristicas.

De su capacidad de soporte depende en gran parte el espesor que debe tener un pavimento , sea este flexible o rígido . Si el terreno de fundación es pésimo debe desecharse este material y sustituirse por otro de mejor calidad .Si el terreno de fundación es malo y se halla formado por un suelo fino , limoso o arcilloso susceptible de saturación habrá de ponerse una sub-base de material granular seleccionada antes de ponerse la base y capa de rodadura .

En conclusión resumiendo lo anterior:

a) Si el terreno de fundación es pésimo debe desecharse y sustituirse por otro de mejor calidad
b) Si el terreno de fundación es malo habrá de colocarse una sub-base de material seleccionado antes de poner la base .
c) Si el terreno de fundación es bueno podrá prescindirse de la sub-base .
d) Si el terreno es excelente podrá prescindirse de la sub-base y de la base .

Materiales a Utilizarse en Diversas Partes del Puente: Fundaciones, pilas, Estribos, la superestructura.

Para las fundaciones se emplea el hormigón simple, armado, ciclópeo y en determinados casos las mamposterías de piedra o inclusive de ladrillo. Es frecuente que estas sean ejecutadas sobre un pilotaje previo.

Para las elevaciones de las pilas y los estribos se utiliza el hormigón ciclópeo o la mampostería de piedra o ladrillo y en función de la altura se pasará al hormigón armado y también a las estructuras metálicas. La madera se aplica en obras de carácter netamente temporal.

Para la superestructura se suele utilizar los siguientes materiales: Hormigones armados o pretensados, acero y madera.

Variabilidad del lecho

Es un grave problema ya que el río abandona su cauce y toma otra dirección generalmente cortando el terraplén del camino o la vía férrea. En algunos casos, el rio se divide en forma permanente obligando a mantener dos puentes con fuertes gastos en lo que a protecciones y mantenimiento se refiere.

Por ello es que muchas veces cuando se construye este tipo de puentes se prevé un tramo de descarga, es decir una o mas alcantarillas en el terraplén de acceso para que por ahí pasen las aguas que se desprenden del curso principal. Estos tramos de descarga requieren de una buena vigilancia porque existe el peligro de que la totalidad del rio se vaya por ellos provocando probablemente una catástrofe.

Factor de Seguridad de Cimentaciones en el Diseño de Edificios.

Los edificios son diseñados con la base de introducir al análisis un factor de seguridad que puede ser definido como la proporción de la resistencia R de la estructura a las cargas aplicadas L ( S = R / L ). La magnitud del factor de seguridad depende principalmente de la fiabilidad de los datos de diseño y la valoración de la resistencia estructural, y las cargas aplicadas. La exactitud de los análisis estructurales, la calidad de la construcción y el mantenimiento, u la probabilidad y gravedad de una falla durante la vida de servicio de la estructura, también influyen en el valor de F.

El diseño de fundaciones hay más incertidumbres y aproximaciones que en el diseño de otras estructuras, por la complejidad del comportamiento del suelo y el conocimiento incompleto de las condiciones del subsuelo. Estas incertidumbres y aproximaciones deben ser evaluadas para cada caso y asignar un factor de seguridad que sea razonable, pero tomando en cuenta algunos o todos los siguientes aspectos:

1.- Magnitud de los daños (pérdida de vidas, pleitos, daño a la propiedad
2.- Costo relativo de aumentar o disminuir F.
3.- Cambio relativo en probabilidad de falla por cambiar F
4.- Fiabilidad de los datos del suelo.
5.- Tolerancias constructivas.
6.- Cambios de las propiedades del suelo debido a operaciones constructivas.
7.- Exactitud (o aproximaciones usadas) en el desarrollo de los métodos de diseño / análisis.

Definición de Cimentación.

Todas las estructuras de ingeniería edificadas sobre la tierras, incluyendo terraplenes, diques (ambos de concreto y tierra), edificios y puentes, consiste en dos partes, la superior o superestructura y la inferior o fundación. La fundación es el elemento intermedio entre la superestructura y el suelo de soporte o roca. En el caso de terraplenes o diques de tiera no existe una clara diferencia entre la "superestructura" y la fundación.

Ingenieria de fundaciones es el arte y ciencia de aplicar criterio de ingenieria y los principio de mecánica desuelos para predecir la respuesta de las masas de tierras a condiciones cambiantes de geometría y/o cargas.

Se debe tomar nota que la ingeniería de fundaciones ha sido definida como el "arte y ciencia" de aplicar el criterio de ingeniería y los principios de mecánicas de suelos. La ciencia de las mecánica de suelos ha progresado rapidamente y considerablemente en los últimos cincuenta años. Sin embargo, por la variabilidad natural del suelo ylos problemas de muestreo, el diseño de una fundación aún depende en gran parteademás del "arte" de la aplicación del criterio técnico.

Mecánica de suelos se considerará como producto de la Ingeniería Geológica y otros disciplinas de ingeniería pertinentes in cluyendo mecánica de materiales, hidraulica, estructura y vibraciones estructurales, y teoría de elasticidad.

Fundaciones para estructuras como puentes y edificios, desde la más pequeña residencia hasta la más elevada estructura, tienen por objeto transmitir las cargas de la construcción, las cuales usualmente tienen desde esfuerzos grandes ( en el caso de columnas de acero quizas 20.000 libras por pulgada 2 (1.400 kg/cm2),hasta los m ás baja capacidad de soporte del suelo. Esta transmisión de esfuerzos es mediante:

1 Fundaciones superficiales (zapatas)
2.- Fundaciones profundas (pilotes o compuertas de diques)

Definición de Cimentación.

Todas las estructuras de ingeniería edificadas sobre la tierras, incluyendo terraplenes, diques (ambos de concreto y tierra), edificios y puentes, consiste en dos partes, la superior o superestructura y la inferior o fundación. La fundación es el elemento intermedio entre la superestructura y el suelo de soporte o roca. En el caso de terraplenes o diques de tiera no existe una clara diferencia entre la "superestructura" y la fundación.

Ingenieria de fundaciones es el arte y ciencia de aplicar criterio de ingenieria y los principio de mecánica desuelos para predecir la respuesta de las masas de tierras a condiciones cambiantes de geometría y/o cargas.

Se debe tomar nota que la ingeniería de fundaciones ha sido definida como el "arte y ciencia" de aplicar el criterio de ingeniería y los principios de mecánicas de suelos. La ciencia de las mecánica de suelos ha progresado rapidamente y considerablemente en los últimos cincuenta años. Sin embargo, por la variabilidad natural del suelo ylos problemas de muestreo, el diseño de una fundación aún depende en gran parteademás del "arte" de la aplicación del criterio técnico.

Mecánica de suelos se considerará como producto de la Ingeniería Geológica y otros disciplinas de ingeniería pertinentes in cluyendo mecánica de materiales, hidraulica, estructura y vibraciones estructurales, y teoría de elasticidad.

Fundaciones para estructuras como puentes y edificios, desde la más pequeña residencia hasta la más elevada estructura, tienen por objeto transmitir las cargas de la construcción, las cuales usualmente tienen desde esfuerzos grandes ( en el caso de columnas de acero quizas 20.000 libras por pulgada 2 (1.400 kg/cm2),hasta los m ás baja capacidad de soporte del suelo. Esta transmisión de esfuerzos es mediante:

1 Fundaciones superficiales (zapatas)
2.- Fundaciones profundas (pilotes o compuertas de diques)

Factores que Determinan el Tipo de Cimentación que se Utilizara en una Determinada Construcción.

La selección del tipo y las dimenciones de una cimentación suele hacerse mediante tablas de presiones admisibles.

La mayoria de los Códigos de Construcción contienen estas tablas, basadas en la experiencia general de los suelos de la zona en que se aplica el código. Estas presiones admisibles suelen dar lugar a dimensionamientos para edificios de escasa altura sobre zapatas aisladas, aunque pueden quedar del lado contrario a la seguridad en estructuras grandes o esopeciales. En muchos casos un estudio cuidadoso demostrará que pueden utilizarse con seguridad presiones admisibles superiores a las indicadas en los códigos.

Compactación del Terreno de Fundación según los Suelos.

Si los suelos del terreno de fundación son arcillosos, deberá exigirse en el campo un mínimo de 95 % de la densidad de laboratorio, determinada según el método AASHO T-180-D.

Además, el espesor mínimo del terreno de compactación debidamente compacto, estará relacionado con el tipo de tránsito. Así por ejemplo:

a) Si el " valor del Índice de tráfico " es menor que 10, o sea si hay " tráfico reducido ", el terreno de fundación habrá de compactarse de 6 a 12 pulgadas (15 a 30 cm.) de espesor como mínimo.

b) Si el " valor del Índice de tráfico ", está comprendido entre 10 y 100, es decir que hay un " tráfico mediano ", el terreno de fundación se compactará de 12 a 18 pulgadas (30 a 45 cm.) como mínimo.

c) Si el " valor del Índice de tráfico ", es mayor de 100, o sea, si hay " tráfico intenso ", el terreno de fundación será compactado de 18 a 24 pulgadas (45 a 65 cm.) como mínimo.

Si el terreno de fundación está formado por suelos no cohesivos, deberá exigirse una compactación no menor del 100 % de la densidad obtenida en laboratorio según el método AASHO T-180-D. Además, el espesor del terreno de fundación compactado tiene que ser:

a) No menor de 6 a 12"(15 a 30 cm), para tráfico reducido.

b) No menor de 12 a 18"(30 a 45 cm), para tráfico regular.

c) No menor de 18 a 24"(45 a 60 cm), para tráfico intenso

Pavimentos según el Terreno de Fundación.

De su capacidad de soporte depende en gran parte el espesor que debe tener un pavimento, sea este flexible o rígido. Si el terreno de fundación es pésimo debe desecharse este material y sustituirse por otro de mejor calidad .Si el terreno de fundación es malo y se halla formado por un suelo fino , limoso o arcilloso susceptible de saturación habrá de ponerse una sub-base de material granular seleccionad antes de ponerse la base y capa de rodadura .

Resumiendo lo expuesto anteriormente tenemos:

a) Si el terreno de fundación es pésimo debe desecharse y sustituirse por otro de mejor calidad

b) Si el terreno de fundación es malo habrá de colocarse una sub-base de material seleccionado antes de poner la base .

c) Si el terreno de fundación es bueno podrá prescindirse de la sub-base .

d) Si el terreno es excelente podrá prescindirse de la sub-base y de la base .

Profundidad y Anclaje de los Pilotes.

Profundidad.

La profundidad de los cimientos se determinará tomando en cuenta las características de los materiales en los que se desplante la cimentación y las posibilidades de socavación.

Exceptuando los casos donde se encuentre roca sólida o en ciertos casos especiales, los cimientos de todas las estructuras que no sean alcantarillas, y que se hallen expuestas a la erosión de las corrientes de agua, deberán desplantarse, preferentemente, a una profundidad mínima de 1.22 m abajo del lecho del cauce que se considere como permanente, las pilas y apoyos de arcos que queden dentro del cauce, se desplantaran de preferencia a una profundidad mínima de 1.83 m abajo del lecho permanente del cauce.

Las profundidades mínimas recomendados anteriormente, deberán incrementarse cuando la condiciones así lo requieran.

Los cimientos que no pueden expuestos a la acción de las corrientes de agua se desplantaran sobre estratos firmes y a mayor profundidad que el nivel de penetración de las heladas.

Los cimientos para alcantarillas se desplantarán a la profundidad que se juzgue conveniente para garantizar una cimentación firme o bien se construirá una losa de concreto suficientemente reforzada, destinada a distribuir las presiones sobre toda el área horizontal de la estructura.

En los sitios donde se estime que la estructura quedará expuesta a la erosión, se construirán zampeados o muros de dentellón en ambos extremos de la alcantarilla, y en caso necesario se podrá pavimento en toda el área del piso comprendida entre los muros de aleros. No se construirá muros desviados o manchosos transversales en las alcantarillas de cañón cuyo fondo no esté recubierto y cuando el lecho de la corriente se halle sujeto a erosión. Donde las condiciones así lo requieran, los cimientos de las alcantarillas se reforzarán longitudinalmente.

Anclaje.

Los cimientos que se desplanten sobre superficies rocosas, lisas e inclinadas y que no queden apoyadas por material que resista el empuje, deberán anclarse en forma efectiva por medio de pernos de anclaje.

Pilas: Generalidades.

Generalidades.

Las pilas se proyectaran para resistir las cargas muertas y vivas superpuestas; las presiones del viento que actúen sobre la pila y la superestructura; las fuerzas debidas a la corriente del agua, al hielo y a cuerpos flotantes; así como las fuerzas longitudinales. En los apoyos; fijos de los claros.

Donde sea necesario, las pilas se protegerán contra los efectos de la abrasión recubriéndolas con granito, ladrillos vitrificados, madera u otros materiales de protección adecuados, hasta una altura y límites donde no puedan causar daño los hielos o cuerpos flotantes.

Arista en el parte aguas.

En las corrientes que lleven hielos o cuerpos flotantes, la arista del parte aguas se proyectara como un rompehielos para resistir los efectos de los choques. Cuando se ponga un ángulo de acero u otra arista de metal, se fijará firmemente a la mampostería con los elementos de anclaje apropiados.

Uso de Pilas de Tubos de Acero y su Profundidad

Uso.

Preferentemente, deberá evitarse el empleo de tubo de acero y nunca deberán usarse en aquellos sitios donde puedan quedar sujetas al empuje lateral de tierra. En casos especiales se puede permitir su uso, siempre y cuando se cumplan los siguientes requisitos.

Profundidad.

Los requisitos generales que gobiernan la profundidad de una cimentación, especificados anteriormente, serán los que se apliquen en el caso de las pilas de tubo de acero con excepción de las que se apoyen en cimentaciones de grava, sin pilotes, las que en ningún caso tendrán una profundidad menor de 2.44 m. Respecto del lecho permanente de la corriente, además de una cierta profundidad adicional requerida para eliminar el peligro de corrosión.

Pilas en Puentes.

(A) Generalidades.

Las pilas se proyectaran para resistir las cargas muertas y vivas superpuestas; las presiones del viento que actúen sobre la pila y la superestructura; las fuerzas debidas a la corriente del agua, al hielo y a cuerpos flotantes; así como las fuerzas longitudinales. En los apoyos; fijos de los claros.

Donde sea necesario, las pilas se protegerán contra los efectos de la abrasión recubriéndolas con granito, ladrillos vitrificados, madera u otros materiales de protección adecuados, hasta una altura y límites donde no puedan causar daño los hielos o cuerpos flotantes.

(B) Arista en el parte aguas.

En las corrientes que lleven hielos o cuerpos flotantes, la arista del parte aguas se proyectara como un rompehielos para resistir los efectos de los choques. Cuando se ponga un ángulo de acero u otra arista de metal, se fijará firmemente a la mampostería con los elementos de anclaje apropiados.

Capacidad de Carga de los Pilotes.

Las cargas de proyecto para pilotes no serán mayores que el valor mínimo que se determinará para los casos A, B y C que se indican enseguida: en Caso A se considera la capacidad del pilote como miembro estructural; en el Caso B, la capacidad del pilote para trasmitir su carga al terreno; y en el Caso C, la capacidad del terreno para soportar la carga trasmitida por el o los pilotes. Los valores que se pueden asignar en cada uno de los tres casos se determinarán mediante estudios y pruebas del subsuelo, realizados con la suficiente amplitud para justificar los valores supuestos en el proyecto para las condiciones particulares del apoyo en consideración.

Al determinar la capacidad de carga de los pilotes que se usarán en el proyecto, deberá tomarse en cuenta toda la información disponible sobre las condiciones del subsuelo. Asimismo, deberán considerarse:

(1) La diferencia que existe entre la capacidad de carga de un pilote aislado y la de un grupo.

(2) La capacidad de carga de un estrato subyacente para soportar la carga de un grupo de pilotes.

(3) El efecto que produce el hincado de pilotes adicionales y el efecto de sus cargas sobre las estructuras adyacentes.

(4) La posibilidad de socavación y sus efectos.

Pilotes Compuestos.

Ocasionalmente, los pilotes se fabrican uniendo secciones superiores e inferiores de materiales diferentes, como concreto arriba del nivel de las aguas freáticas y madera sin tratar debajo.

El costo y la dificultad para obtener una junta aceptable han sido la causa de abandono casi total de este tipo de construcción en los Estados Unidos y Canadá . Por otra parte, se dispone de una gran variedad de pilotes que consiste de varias combinaciones de forros, tubos y otros componentes

Pilotes de Acero.

Se utilizan mucho como pilotes los tubos de acero, que usualmente se llena de concreto después de hincados y los perfiles de acero en H cuando las condiciones requieren un hincado violento, longitudes desusadamente grandes, o elevadas cargas de trabajo por pilote.

Los pilotes de acero en H penetran el terreno mas fácilmente que otros tipos en parte porque desalojan relativamente poco material. En consecuencia se usa frecuentemente para alcanzar un estrato de gran capacidad de carga a gran profundidad. Si el hincado es difícil, y especialmente si el material superior contiene obstrucciones o grava gruesa, es probable que los patines se dañen y los pilotes se tuerzan o doblen. Pueden producirse pocos defectos serios si se puede notar los síntomas durante el hincado cuando las condiciones sugieran las posibilidad de estos daños.

Pilotes de Concreto.

Poco después de 1900 se idearon varios tipos de pilotes de concreto desde entonces han aparecido numerosas variantes y en la actualidad se disponen una gran variedad de pilotes entre los cuales el ingeniero puede elegir el que mejor se adate a una obra determinada. Los pilotes de concreto pueden dividirse en dos grandes categorías principales colacados en lugar y precolocados. Los colocados en lugar pueden subdividirse en pilotes con y sin ademe.

El concreto de un pilote con ademe se cuela dentro de un molde, que usualmente concite en forro de metal o tubo delgado que se deja en el terreno. El forro puede ser tan delgado que su resistencia se desprecia la valuar la capacidad estructural del pilote pero sin embargo debe tener la resistencia suficiente para que no sufra colapso bajo la presión del terreno que lo rodea antes de que se llene con concreto.

Los forros muy delgados no pueden hincarse sin estar soportados en el interior por un mandril, que en si es una fuente de gastos y cuando menos veces ocasiona dificultades de construcción.

Pilotes de Madera.

Desde el imperio romano quedo bien establecido el uso de los troncos de árboles como pilotes; los detalles de las cimentaciones piloteadas fueron descritos por Vitruvino en el año 58 D.C. probamente, los pilotes de3 madera son el tipo que mas se usan en todo el mundo. Bajo muchas circunstancias, proporcionan cimentaciones seguras y económicas su longitud esta limitada por la altura de los árboles disponibles; son comunes los pilotes de 12 a 18 m, en tanto longitudes mayores no se pueden obtenerse económicamente en todas las regiones. 

Los pilotes de madera no pueden soportar los esfuerzos debido a un fuerte hincado, en ocasiones muy necesario para penetrar mantos muy resistentes. Pueden reducirse los daños a las puntas usando regatones de acero, pero para un tipo dado de martinete el peligro de romper los pilotes mucho únicamente limitando el esfuerzo inducido en la cabeza del pilote y el numero de golpes del martillo.

Los pilotes de madera no pueden hincarse en suelos de levada resistencia sin sufrir daños; por lo tanto se usan rara ves para cargas mayores a 30 toneladas; en muchas localidades las cargas de trabajo están restringidas a 25 toneladas o menos.

Aunque los pilotes de madera pueden durara indefinidamente cuando están rodeados de suelos saturados, están sujetos a pudrirse arriba de la zona de saturación. En algunas localidades pueden dañarse o destruirse por insectos como las termitas. La vida delos pilotes de madera, arriba del nivel del agua pueden aumentarse mucho tratándolos a presión con cerosotas. La duración efectiva con este tratamiento todavía no se a determinado bien, pero se sabe que es mayor de 40 años.

Los pilotes de madera en aguas estancadas o saladas están sujetas a ataques de varios organismos marinos como teredo y la limnoria. El deterioro pude ser completo en unos cuantos años o, en condiciones extremadamente desfavorables, en unos cuantos meses el tratamiento químico no parece ser muy efectivo. Por lo tanto los pilotes de madera no deben usarse donde queden expuestos a aguas saladas abiertas a menos que se comprueben mediante investigaciones completas, que no existen organismos destructivos.

Clasificación de los Pilotes.

Los pilotes se construyen en una gran variedad de tamaño, formas y materiales para adaptarse a muchos requisitos especiales, incluyendo la competencia económica. Aunque su variedad desafía las clasificaciones sencillas, pueden estudiarse desde el punto de vista de los principales materiales de que están hechos que incluyen la madera el concreto y el acero.

Fundaciones Conceptos:

a) COHESIÓN
Se puede definir como la adherencia entre las partículas del suelo debida a la atracción entre ellas en virtud de las fuerzas moleculares.

b) FRICCION
Se lo llama a la fricción entre partículas también se llaman ángulos de fricción interna también se lo denomina por el ensayo triaxial
c) ANGULO DE FRICCION INTERNA EN EL SUELO

Es valor de convenio introducido para simplificar, y se le considera constante aunque no lo es. El ángulo de fricción interna depende de la uniformidad de las partículas del suelo, del tamaño y forma de los granos y de la presión normal.

d) RESISTENCIA DE CORTE DE UN SUELO

Dentro de ciertos limites, los suelos se comportan bajo la acción de las cargas como los materiales elásticos, aunque en algunos casos se producen deformaciones mayores que las normales, teniéndose que recurrir entonces a cálculos que tengan en cuenta la plasticidad del suelo.
Una muestra de suelo sometido a un esfuerzo de corte tiende a producir un desplazamiento de las partículas entre sí o de una parte de la masa del suelo con respecto al resto del mismo.

En el primer caso (figura a) se dice que hay un disgregamiento de las partículas. En el segundo caso (figura a) se dice que la masa se realiza a lo largo de ciertas líneas de rotura, o si la masa de suelo es plástica se produce lo que se denomina fluencia plástica (figura c) estos movimientos dentro de la masa de suelo tienden a ser contra restados por la llamada resistencia al corte del suelo