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Artículo 01 - Filosofia de Las Cimentaciones1
Artículo 01 - Filosofia de Las Cimentaciones1
Artículo 01 - Filosofia de Las Cimentaciones1
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Los aspectos de geología aplicada a la ingeniería para el reconocimiento de las
características estructurales y estratigráficas del subsuelo usadas en un diseño de
cimentación tiene importancia fundamental, ya que se reconoce que el comportamiento
de una pequeña muestra de suelo no es necesariamente representativa del depósito o del
estrato de donde fue tomada. Debe tenerse presente que el ingeniero de cimentaciones
tendrá que trabajar con depósitos del subsuelo que están lejos de ser isótropos y
homogéneos, de tal manera que su conocimiento en el comportamiento del subsuelo
puede ser completo únicamente cuando considera las condiciones reales que pueden
esperarse desde un punto de vista de geología aplicada.
Los factores de seguridad deben usarse de tal manera de cubrir las posibles desviaciones
de las teorías y las hipótesis de trabajo así como las propiedades mecánicas de los
materiales y finalmente las desviaciones que en el diseño teórico puedan causar los
procedimientos de construcción. Para lo cual es indispensable conocer las fuerzas
involucradas por las condiciones ambientales esto es: fisiográfico-geológicas, sísmicas,
hidráulicas, índice y mecánicas de los sedimentos, y funcionales del proyecto para las
cuales deberá de ser diseñada la cimentación.
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métodos prácticos de cálculo. Esta generalización, sin embargo, deberá de efectuarse
bajo una base racional utilizando todos los conocimientos de la Mecánica de Suelos que
estén a su disposición. Considerando además, que el subsuelo no es homogéneo e
isótropo.
Las propiedades del suelo son más complejas que cualquier otro material, por tanto las
hipótesis de trabajo y teorías que se establezcan deben ser compatibles con el
comportamiento en el campo para establecer las correlaciones más simples basadas en
la estática del problema. El desarrollo de teorías es necesario, pues es la base de
comparación con el comportamiento real en el campo y correspondientemente poder
eliminar la inconsistencia del empirismo en el afán de obtener procedimientos más
confiables y técnicos para el análisis de la cimentación.
Así pues, la selección del tipo de cimentación como anteriormente se ha descrito debe
efectuarse después de haber estudiado primeramente las propiedades índice, mecánicas
e hidráulicas de los materiales del subsuelo para la localidad en cuestión, y segundo
estimar el comportamiento mecánico probable que tendrá la estructura de cimentación
elegida para las cargas que ésta deba soportar así como de los hundimientos permisibles
totales y diferenciales. Es también de suma importancia considerar la disposición
geométrica del edificio y las condiciones o requerimientos necesarios desde un punto de
vista estructural y arquitectónico. En el caso de áreas o zonas sísmicas deberán
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estudiarse las fuerzas que los temblores inducen en la masa del suelo, y
consecuentemente en la estructura de la cimentación propuesta.
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Cuando el suelo es del tipo expansivo podrán utilizarse cimentaciones de losas corridas
nervuradas para aumentar la rigidez, Fig. 5. en el uso de zapatas aisladas, continuas o
losas corridas deberán efectuarse análisis de hundimientos totales y diferenciales
buscando la compatibilidad con las condiciones del proyecto en cuestión. La capacidad
de carga de estos suelos puede variar de 0.5 kg/cm2 a 4 kg/cm2. En las regiones donde el
horizonte A es altamente humítico y de espesor considerable, se verá la necesidad de
utilizar zapatas profundas desplantadas sobre el horizonte B del perfil del suelo.
Los materiales transportados por el viento forman depósitos de sedimentos los cuales
deben estudiarse con especial cuidado. Estos sedimentos forman depósitos de: dunas,
loes, tipos loesiales playas eólicas, adobe y polvo volcánico. Se encuentran en la
naturaleza con una compresibilidad de media a alta, su compacidad relativa es baja, se
encuentra sin cohesión o ligeramente cohesivos. Los depósitos eólicos son
característicos de las regiones áridas. El nivel superficial del agua se encuentra
generalmente a grandes profundidades. Los depósitos eólicos, sin embargo, muestran
cierta peculiaridad para cambiar sus propiedades mecánicas cuando se saturan o sufren
fuertes cambios de humedad. (1) Por tanto, si las condiciones de humedad cambian
éstos tienden a compactarse, toman también el nombre de suelos colapsibles. Después
de haber sufrido un cambio en las propiedades mecánicas estos sedimentos se
comportan como materiales de compresibilidad de media a baja y toman el nombre de
depósitos eólicos modificados. La compacidad relativa que se encuentra en estos
sedimentos es de media alta. En la mayoría de los casos proporcionan capacidades de
carga satisfactorias para condiciones ambientales bien definidas.
Los sedimentos aluviales son aquellos que son transportados y sedimentados por el agua
en movimiento y en los cuales las dimensiones de los granos varía desde grandes
fragmentos de roca como los encontrados en el lecho de los ríos, a grava, arena y limo
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con algo de arcilla. Estos sedimentos están generalmente bien graduados y se
encuentran con compresibilidades medias a muy bajas. Los sedimentos finos
generalmente tienen una compresibilidad media. Cuando los sedimentos quedan bien
confinados, los problemas de cimentación se reducen a un mínimo. En general se
pueden usar zapatas aisladas.
En caso de sedimentos aluviales en las llanuras de inundación de los ríos o cerca de los
lagos constituidos por limos arena-arcillosos podrán usarse zapatas continuas a losas
corridas para soportar las cargas de cimentación. Sin embargo, `pueden presentarse
casos, en estos lugares, en que tuviese que usarse una cimentación compensada o el uso
de pilotes o pilas para el apoyo de cargas grandes.
Los sedimentos finos y muy finos como son los limos y las arcillas, se depositan cuando
el agua en movimiento pierde su velocidad, como en los lagos, lagunas marginales,
estuarios y deltas submarinos. Estos sedimentos se encuentran en la naturaleza con
compresibilidades desde media, alta y muy alta pueden contener materia coloidal, o
pueden estar constituidos totalmente de materia orgánica como es el caso de la turba.
Las propiedades mecánicas de esfuerzo-deformación son complicadas si se comparan
con otros sedimentos ya que estos materiales exhiben fuerte viscosidad intergranular en
su comportamiento mecánico, de tal manera que las propiedades esfuerzo-deformación
–tiempo deben de ser investigadas para poder estimar hundimientos y el
comportamiento de la cimentación. Debido a su muy baja permeabilidad se presenta el
fenómeno de consolidación, el cual es muy importante porque retarda la deformación
con el tiempo. Este proceso hidrodinámico no puede omitirse en el cálculo o diseño de
la cimentación. En este caso deberán usarse cimentaciones compensadas o
cimentaciones compensadas con pilotes de fricción, esto es: cuando no es posible usar
cimentaciones piloteadas apoyadas en depósitos firmes a poca profundidad.
Este tipo de cimentación requiere una cimentación monolítica de tipo cajón con objeto
de hacer uso de la supresión del agua en el diseño de la cimentación, Fig. 6, en el
análisis de la cimentación debe tomarse en cuenta que el material esta constituido de
una fase sólida y otra líquida. La compensación de la cimentación se hace entonces
sumando los dos efectos. Esto es, la sustitución de los esfuerzos efectivos a la
profundidad de desplante de la caja de cimentación, y el efecto de flotación debido al
peso del agua desplazada. Los dos efectos deberán igualar al peso total del edificio. La
fase sólida gobernará las deformaciones debido al cambio de esfuerzos efectivos
inducidos en el esqueleto estructural del suelo y deberá investigarse desde el punto de
vista de esfuerzo cortante y de hundimientos totales y diferenciales. La parte líquida
tiene como efecto únicamente reducir el peso del edificio por el conocido principio de
Arquímedes. El peso del edificio se compensará excavando a una profundidad tal que
permita obtener suficiente capacidad de carga y reducción de desplazamientos verticales
a una magnitud satisfactoria. Los hundimientos diferenciales se controlarán dando
rigidez a la cimentación y el comportamiento mecánico será controlado por la fase
sólida debido a los cambios de esfuerzos efectivos.
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precompresión del subsuelo cuando se hacen las excavaciones y posteriormente cuando
el suelo es recompromido. Para el diseño de estas cimentaciones es indispensable
conocer los conceptos básicos relacionados con el flujo hidrodinámico del agua en el
subsuelo durante las excavaciones. El comportamiento futuro de la cimentación será
función importante del proceso de excavación y de la forma con que se controlen las
presiones hidráulicas en él. Así pues, si durante la sustitución de la carga se provocan
cambios pequeños en los esfuerzos efectivos y en las presiones hidráulicas entonces no
se verificarán hundimientos verticales sensibles en la superficie del suelo.
Teóricamente, el concepto elemental de este tipo de cimentaciones es el de lograr un
cambio mínimo en los esfuerzos efectivos durante las excavaciones y construcción de la
cimentación.
El éxito de este tipo de cimentación depende altamente de la forma en que son clavados
los pilotes, su espaciamiento y su longitud y del procedimiento con que sean efectuadas
las excavaciones y del control de las condiciones hidráulicas del subsuelo. El objetivo
es el mismo que el descrito anteriormente, es decir, el reducir los hundimientos totales y
diferenciales, lo cual se logra haciendo que durante las excavaciones el cambio en los
esfuerzos efectivos resulte mínimo. El mayor beneficio se obtiene cuando los pilotes se
clavan en la zona de la cimentación antes de efectuar las excavaciones, haciendo
trabajar a fuerzas de tensión, impidiendo en parte la expansión del suelo para preservar
las condiciones de confinamiento originales y consecuentemente el estado de esfuerzos
en la masa del suelo.
En este tipo de depósitos lacustres puede ocurrir que se encuentre algún estrato potente
a profundidad razonable en cuyo caso lo indicado sería usar pilotes para apoyar la
estructura de cimentación, Fig. 8. Si bajo este estrato existen sedimentos compresibles
los pilotes deberán distribuirse uniformemente para repartir la carga y evitar
hundimientos diferenciales importantes. Además, deberá tomarse en cuenta que los
sedimentos altamente compresibles atravesados por los pilotes sufrirán desplazamiento
vertical y por tanto generarán en los pilotes fricción negativa: esta fuerza deberá
tomarse en cuenta en la capacidad de carga de éstos trabajando en su punta apoyada en
el estrato firme, Fig. 8. Cuando se encuentra un depósito de potencia indefinida de baja
compresibilidad podrán utilizarse pilotes en grupos, si es que estos grupos no producen
hundimientos diferenciales indeseables, Fig. 9,
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Cimentación en Depósitos de Piemonte:
Los depósitos de piemonte son sedimentos que se acumulan al pie de las montañas
debido a avalanchas, deslizamientos o en general por la inestabilidad de la parte
superficial de las pendientes. Estos depósitos contienen materiales de todas clases y
granulometría variable incluyendo vegetación en grandes fragmentos y hasta materia
orgánica fina. La compresibilidad y el esfuerzo cortante es muy variable. Para soportar
las cargas de las columnas de los edificios, la localización deberá investigarse una por
una y generalmente la forma más satisfactoria y segura de cimentar es el uso de pilas a
una profundidad a la que se encuentre un depósito firme, Fig. 10.
Hundimientos Admisibles:
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A este respeto deberá de efectuarse un análisis de la contribución que cada una de las
partes interesadas en el proyecto debe soportar de acuerdo con su responsabilidad para
fijar la magnitud máxima de los hundimientos totales y diferenciales que deberán ser
usados en el diseño de la cimentación del proyecto en consideración. Después de los
cuales el ingeniero de cimentaciones podrá seleccionar o verificar en forma racional el
tipo de cimentación más conveniente.
Una vez que se han reunido todas las partes interesadas para fijar el máximo de los
hundimientos totales y diferenciales éstos deberán lograrse para que la funcionalidad del
proyecto sea aceptada. El ingeniero de cimentaciones en este caso seleccionará la
cimentación que de acuerdo con su juicio y experiencia cumpla con los requisitos
establecidos.
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PROPIEDADES INDICE Y MECANICAS DE LOS SEDIMENTOS PARA EL
DISEÑO DE CIMENTACIONES.
1. N – ESTRATO
2. Za - PROFUNDIDAD MEDIA
3. – CLASIFICACIÓN
4. W – CONTENIDO DE AGUA
5. SS – GRAVEDAD ESPECIFICA
6. S% - GRADO DE SATURACION
7. γ − PESO VOLUMETRICO
8. Dr – COMPASIDAD RELATIVA
9. LW, PW – LIMITES DE ATTERBERG
10. N- RESISTENCIA ESTÁNDAR A LA PENETRACIÓN
11. qU – CONSISTENCIA NATURAL
12. C – COHESION
13. φ − ANGULO DE FRICCION INTERNA
14. k – COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD
15. Me – MODULO DE RESPUESTA ELASTICA
16. Mep – MODULO DE DEFORMACIÓN UNITARIA ELASTO-PLASTICA
17. kV – COEFICIENTE VISCO-PLASTICO
18. σb – ESFUERZO CRITICO DE PRUEBA DE COMPRESIBILIDAD
19. mep – COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD VOLUMÉTRICA
UNITARIA ELASTO-PLASTICO
20. mt – COEFICIENTE UNITARIO DE VISCOSIDAD INTERGRANULAR
VOLUMÉTRICO
21. CV – COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN PRIMARIA
22. CVP – COEFICIENTE APARENTE DE CONSOLIDACIÓN VISCOSA
INTERGRANULAR
23. µ - MODULO DINAMICO AL ESFUERZO CORTANTE
24. υ − RELACION DE POISSON
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