Mostrando entradas con la etiqueta CIMINENTOS. Mostrar todas las entradas
Mostrando entradas con la etiqueta CIMINENTOS. Mostrar todas las entradas

DISEÑO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS

SUBSTITUCIÓN

La cimentación por substitución parte de un principio muy sencillo: substituir el peso del edificio por peso en tierra. Esto significa que debe ser escarbado un volumen de tierra, y construido unos cajones que mantengan ese volumen, lo suficientemente grande o profundo para sacar en peso de tierra el peso del edificio. Esta condición es lo que conocemos como substitución total o del 100% del edificio. Pero al menos en la ciudad de México, o terrenos similares, la práctica ha enseñado que esto no es conveniente por los asentamientos diferenciales que se pueden presentar en el edificio, por lo cual, es conveniente realizar sub-substitución, y recargar el resto del peso en pilotes, en la losa de los cajones, o en ambos, lo que conocemos como una cimentación mixta. Además así se evita la sobre-substitución, que provoca que, al sacar más tierra en peso, el edificio tienda a salirse,  lo cual se traduce en asentamientos diferenciales que causan daños significativos a la estructura.

En términos generales podemos encontrar el peralte o altura de la substitución, para ser lograda al 100%, con la siguiente ecuación:


Con base en este resultado, podemos fácilmente sub-substituir nuestra cimentación, reduciendo un determinado porcentaje a la altura de la cimentación, que en términos de peso tendrá que ser absorbido por otros medios.

PILAS

Las pilas al ser más anchas que las columnas a las cuales corresponden, transmiten sin menor problema axialmente el peso hasta el estrato rocoso-resistente. Por lo cual revisar si su sección soporta el peso al cual estará sometido es una pérdida de tiempo. Pero es necesario verificar, que sí tenga el diámetro necesario para resistir la flexocompresión y los momentos de pandeo local, provocados por los enormes momentos de inercia a que están sometidas las plantas bajas de los edificios en los sismos, y que provocan un movimiento diferencial entre la estructura y subestructura del edificio. La revisión de este diámetro se puede realizar con la siguiente ecuación:


Posteriormente, es necesario que la campana de la pila sea capaz de transmitir los esfuerzos a la capa rocoso resistente, así como anclar la pila a ésta. Esto se puede fácilmente determinar con la ecuación:


PILOTES

Al contrario que las pilas, los pilotes al ser elementos mucho más delgados y esbeltos, si tiene que ser revisada su capacidad de carga axial, lo cual se puede realizar con la ecuación de resistencia a compresión antes vista:


Además, debe de ser revisado el diámetro propuesto para el pilote, por los esfuerzos de flexocom-presión provocados por los momentos de inercia sísmicos en la base del edificio con las siguientes ecuaciones:

DISEÑO DE CIMIENTOS DE CONCRETO

En determinados tipos de construcciones, es factible la construcción de cimientos de concreto (sin refuerzo), o de concreto ciclópeo, esto, en términos generales se puede realizar cuando la resistencia del terreno es buena (lomerío) y las cargas son bajas (edificios de pocos niveles), en estos casos el cimiento sirve más como anclaje de la estructura en el terreno, que como medio de transmisión de cargas. En estos casos lo que rige el diseño es la fuerza cortante que transmite la estructura dentro del cimiento, para que el cimiento no falle por cortante, debe tener la profundidad (peralte) suficiente para desarrollar este esfuerzo, y la forma para absorber la línea de esfuerzos cortantes (45°); por lo cual su forma debe ser cuadrada o rectangular, por lo que es necesario dimensionar la base y la profundidad con las siguientes ecuaciones:

DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES (mampostería)

Notación:


Fórmulas

1.  Determinación de la base



2.  Determinación del vuelo


3.  Profundidad del cimiento


Nota: El cimiento mínimo de mampostería deberá ser de las siguientes dimensiones:

Base: 50 cm
Altura: 50 cm
Corona: 30 cm

MUROS DE CIMENTACIÓN

Los muros de cimentación suministran apoyo para la superestructura superior y cercan un sótano o un espacio de gateo parcial o totalmente por debajo de la rasante. Además de las cargas verticales provenientes de la superestructura, los muros de cimentación deben diseñarse y construirse para resistir la presión activa del terreno y anclar la superestructura contra el viento y las fuerzas sísmicas.


Los espacios de gateo (ductos o vías para arrastrarse) cercados por un muro de cimertaciór contiruo o por pilares sumiristran espacio bajo ur primer piso para la integración y acceso a instalaciones mecánicas, eléctricas y de plomería.

Muros de cimentación de concreto

Los muros de cimentación de corcreto colado in situ requieren de cimbra y de un acceso para colocar el concreto.




Muros de cimentación de mampostería de concreto

Los muros de cimentación de mampostería de concreto utilizan unidades pequeñas que se manejan fácilmente y no requieren de cimbra. Debido a que la mampostería de concreto es un material modular, todas las dimensiones principales deben basarse en el módulo de 205 mm (6") de blocjue de concreto estándar.



La parte superior de un muro de cimentación debe prepararse para recibir, sustentar y anclar los sistemas de muro y de piso de la superestructura.


Se requiere de un sistema de drenaje del subsuelo para recolectar y desviar el agua lejos de la cimentación al drenaje pluvial, a un pozo seco, o de ur emisor natural hacia una elevación inferior en el sitio.

El aislamiento de humedad se aplica a un muro de cimentación cuando las condiciones del subsuelo indican que no se presentará una presión hidrostática proveniente del nivel freático. Guardo estér sujetos a la presión hidrostática del nivel freático, los muros de cimentación deben impermeabilizarse. Algunos reglamentos de construcciones requieren que todos los muros de cimentación que cerquen un espacio habitable debajo de la rasante deben impermeabilizarse.


Los sistemas de cimentación de madera tratada pueden usarse para la construcción tanto de sótanos como de espacios de gateo (ductos o vías para arrastrarse). Las secciones del muro pueden construirse in situ o fabricarse en planta para reducir el tiempo de montaje. Toda la madera y la madera laminada o¡ue se use para fabricar un sistema de cimentación debe tratarse a presión con un con¬ servador aprobado para uso de contacto en el suelo; todos los cortes de campo deben tratarse con el mismo conservador. Todos los sujetadores de metal deben ser de acero inoxidable o de acero galvanizado con recubrimiento de zinc.


EDIFICION - CIMENTACIONES CON PILOTES

Los pilotes de madera son maderos hincados como un pilote de fricción. Generalmente, se les coloca una zapata de acero y una banda de hincado para evitar que el cuerpo del pilote se astille o se despedace. 1.

Los pilotes compuestos están construidos cor dos materiales, como un pilote de madera y una sección superior de concreto para evitar el deterioro de la parte del pilote cjue está arriba del nivel freático.

Los pilotes H y los perfiles H de acero se ahogan en concreto hasta un punto por debajo del nivel freático para evitar la corrosión. Los perñles H pueden soldarse en el proceso de hincado para formar pi¬ lotes de cualcjuier longitud. 2.

Los pilotes de tubo de acero se hincan con el extremo inferior abierto o cerrado con una placa o una punta de acero y se llenan con concreto. Un pilote de tubo con el e>ctremo abierto recjuiere inspección y excavado antes de llenarse con concreto.3.

Los pilotes de concreto precolado tienen secciones transversales redondas, cuadradas, poligonales, o con un núcleo abierto. Los pilotes precolados generalmente son presforzados. 4.

EDIFICION - CIMENTACIONES CON PILOTES


Los pilotes de concreto colado in situ se construyen vaciando concreto en una carcasa en el suelo. Estos pilotes pueden ser revestidos o sin revestimiento.

Los pilotes revestidos se construyen hincando un tubo o una carcasa de acero en el suelo hasta
que encuentra la resistencia recjuerida y luego se llena con concreto. La carcasa es una sección cilindrica de acero, corrugada o ahusada para mayor rigidez. 5e inserta un mandril de tubo o un núcleo de acero en una carcasa de pared delgada para evitar cjue se colapse en el proceso de hincado; luego se retira antes de vaciar el concreto en la carcasa. 5.

Los pilotes sin revestimiento se construyen hincando un tapón de concreto en el suelo junto con una carcasa de acero hasta cjue encuentra la resistencia reíiuerida; luego se apisona el concreto en su lugar a medida cjue se retira la carcasa. 6.

Un pilote de pedestal sin revestimiento tiene una punta agrandada para aumentar el área de carga del pilote y reforzar el estrato de apoyo por compresión. La punta se forma vaciando concreto a presión en el suelo circundante en la parte inferior de la carcasa. 7.

CIMENTACIÓN CON POSTES

La cimentación con postes eleva las estructuras de madera por arriba del terrero, recjuiere de excavación minima y preserva las características naturales de los patrones de drenaje existentes de un sitio. Es especialmente útil cuando se construye en taludes empinados y en áreas sujetas a inundaciones periódicas.

Los postes tratados se colocan a lo largo de una retícula definida por el patrón reticular de vigas y viguetas. Su espaciamiento determina tanto los claros de vigas y viguetas como las cargas verticales cjue deben sustentar.

• Postes de 150 a 305 mm (6" a 12") de diámetro; tratados con un conservador para protegerlos de la pudrición y de la invasión de Insectos. Estos postes pueden prolongarse en sentido vertical para formar el marco de sustentación de las cargas de la superestructura o terminar en el nivel del primer piso para sustentar un marco convencional de plataforma. 1.
• Vigas de madera sólidas, compuestas o espaciadas: deben limitarse los voladizos a 1/4 del claro restante. 2.
• Los pisos, los muros y el techo deben aislarse de acuerdo con las condiciones climáticas locales. 3.• Los postes se espacian de 1530 a 3660 mm (6' a 12') para sustentar las áreas de piso y de techo hasta
13.4 m^2 (144 pies cuadrados) 4.


Los postes se colocan en agujeros excavados a mano o mediante un barrenador de potencia. En una estructura de postes se recjuiere de una longitud adecuada de em¬ potramiento, de un relleno adecuado y de conectores apropiados para tener la rigidez y la resistencia necesarias para las fuerzas laterales eólicas y sísmicas. La longitud recjuerida de empotramiento varía de acuerdo con:

• la pendiente del sitio
• las condiciones subsuperficiales del suelo
• el espaciamiento de los postes
• la altura no sustentada de los postes
• la zona sísmica.
• Los pisos deben diseñarse y construirse como un diafragma para transferir la rigidez de los postes cuesta arriba al resto de la estructura. 5.

Longitud de empatramiento para pendientes empinadas

• De 1525 a 2440 mm (5' a 8') para los postes cuesta arriba: estos postes tienen alturas no soportadas más cortas, pero recjuieren de un empotramiento más profundo con objeto de suministrar la rigidez necesaria a la estructura. 6.
• De 1220 a 2135 mm (4' a 7') para los postes cuesta abajo 7.
Longitud de empotramiento poro pendientes llanas

• De 1220 a 1525 mm (4' a 5') 8.
Cuando el empotramiento necesario no sea posible, como en una pendiente rocosa, pueden usarse el arriostramiento transversal con varilla de acero y con tensores o muros de cortante de concreto o de mampostería para suministrar estabilidad lateral.

• Consultar a un ingeniero especializado en estructuras cuando se disefíe y se construya una estructura con postes, especialmente cuando se trate de un sitio con pendiente pronunciada sujeto a ventarrones o a inundaciones.



Las vigas espaciadas se fijan con tornillos pasantes a los lados de los postes tratados, las cuales luego continúan hacia arriba para formar el bastidor receptor de cargas de la superestructura.



Los postes distribuyen sus cargas con una zapata o collar de concreto o al apoyarse directamente en la roca. Los bloques y los collares de concreto aumentan el área de contacto de los postes con el suelo y distribuyen sus cargas sobre un área mayor.

CIMENTACIONES EN TALUDES

Las estructuras y los cimientos en taludes o adyacentes a éstos que sobrepasen el 100% deben cumplir con los siguientes requerimientos:

La cara de la zapata se sitúa atrás de un talud en descenso una distancia suficientemente grande como para suministrar apoyo vertical y lateral para la zapata y evitar un asentamiento.

Máximo H/3 ó 12 m (40'). 1.

La cara de la estructura se sitúa alejada del pie de un talud en ascenso para suministrar protección del drenaje y de la erosión del sitio.

Máximo H/2 ó 5 m (15') 2.


Ancho mínimo de la zapata 2x 3.

Pendiente máxima 1:2 4.

60° para roca 5. 

30° para suelo 6.

La superficie del suelo no debe invadir el prisma de contacto del suelo o de la roca.



Las zapatas con poco espaciamiento o las zapatas adyacentes localizadas a diferentes niveles pueden causar esfuerzos traslapados en el suelo.

Rasante. 7.
Conservar el espesor de la zapata (T) en el escalón vertical. 8.
Limitar el escalón vertical (H) a  1/2  L o 610 mm (2'-0") como máximo. 9.
La longitud del escalón (L) debe ser por lo menos 610 mm (2'-0"). 10.
Utilice dimensiones modulares para muros de mampostería de concreto.



Las zapatas escalonadas cambian de nivel por etapas para acomodar una rasante empinada y conservar la profundidad rec[uerida en todos los puntos alrededor de un edificio.

ZAPATAS CORRIDAS: ZAPATA DE CINTA Y ZAPATAS AISLADAS

Las formas más comunes de zapatas corridas son las zapatas de cinta y las zapatas aisladas.

Las zapatas de cinta son las zapatas corrídas cortiruas de los muros de cimentación. 1.
Otros tipos de zapatas corridas soN las siguientes:


Las zapatas escaloradas sor zapatas corridas que cambiar de nivel por etapas para adaptarse a ura rasante inclinada y mantener la profundidad requerida en todos los puntos alrededor de un edificio.

Una zapata en cantilever o de fleje consiste en una zapata con columna conectada mediante una viga tensora con otra zapata con objeto de balancear una carga impuesta asimétricamente. 2.

Una zapata combinada es una zapata de concreto reforzado para un muro de cimentación perimetral o ura zapata con columna desplazada para sustentar la carga de una columna interior. 3.
Se usan también zapatas en cartilever y combiradas cuando un cimiento estriba en un lindero y no es posible construir una zapata con carga simétrica. Para evitar la rotador o el asentamiento diferencial que una condición de carga asimétrica puede producir, las zapatas continuas y el cantilever se dimensionan para generar una presión del suelo uniforme.

Una losa o carpeta de cimertación se hace de corcreto grueso y muy reforzado para que sirva como una zapata monolítica individual para varias columnas o un edificio completo. Las losas de cimentación se usan cuando la capacidad de carga permisible de un suelo de cimentación es baja en relación cor las cargas del edificio y las zapatas con columnas interiores se hacen tan grandes que resulta más económico fundirlas en una sola losa. Las losas de cimentación pueder rigidizarse mediante una parrilla de nervaduras, vigas o muros. 4.  5.
Una cimentación flotante, que se usa en suelo blando, tiene como zapata una losa que se coloca lo suficientemente profunda para que el peso del suelo excavado sea igual o mayor al peso de la construcción sustentada. 6.
Las zapatas aisladas son zapatas corridas individuales que sustentar columnas y pilas autoestables.7.
Una zapata continua es una zapata de corcreto reforzado que se prolonga para sustentar una fila de columnas. 8.
Una viga de nivelación es ura viga de concreto reforzado que sustenta un muro de carga a nivel del suelo y que transfiere la carga a zapatas, pilas o pilotes aislados. 9.

CIMENTACIONES POCO PROFUNDAS

La parte más inferior de una cimentación poco profunda son las zapatas corridas. Estas se prolongan en sentido lateral para distribuir su carga sobre un área de suelo que sea sufícientemente ancha. De esta forma la capacidad de carga permisible del suelo no es sobrepasada. El área de contacto reciuerida es igual al cociente de la magnitud de las fuerzas transmitidas entre la capacidad de carga permisible de la masa de suelo sustentante.


Cuando las zapatas para construcción ligera se apoyan en suelo no cohesivo estable y transmiten una carga continua de menos de 29 kN/m (2000 libras por pie lineal), pueden tener las siguientes dimensiones en la sección transversal.




Para minimizar los efectos de abultamiento del terreno cuando se congela y se expande el agua subterránea en clima frío, el reglamento de construcciones requiere que las zapatas se colociuen debajo del nivel de penetración de heladas ciue se espera en el sitio del edificio.

RECALZO O RECIMENTACIÓN DE UN EDIFICIO

El recalzo o recimentación se refiere al proceso de reconstrucción o de refuerzo de la cimentación de un edificio existente, o a su ampliación, cuando una nueva excavación en la propiedad colindante es más profunda que la cimentación existente.

1. Para suministrar sustentación temporal mientras se repara, se refuerza o se profundiza la cimentación existente. se hacen pasar agujas verticales a través del muro de cimentación y se sustentan con gatos hidráulicosy puntales.



2. Otro método para suministrar sustentación temporal es excavar pozos intermitentes bajo la cimentación existente hasta el nivel de las nuevas zapatas. Después de colocar el nuevo muro de cimentación y las nuevas secciones de zapatas, se excavan pozos adicionales hasta c|ue el muro completo haya sido profundizado.



3. Una alternativa para ampliar un nuevo muro de cimentación y para colocar nuevas zapatas es construir pilotes o pilotes de tubó llenos de concreto en cada uno de los lados de la cimentación existente, retirar una sección del muro de cimentación y reemplazar la sección con un cabezal para pilote de concreto reforzado.


TIPOS DE SISTEMAS DE CIMENTACIÓN

Las cimertaciones utilizar ura combinación de muros de carga, columnas y pilas para transmitir las cargas del edificio directamente al terreno. Estos elementos estructurales pueden formar diferentes tipos de subestructuras;

• Los sótanos ubicados total o parcialmente debajo de la rasante requieren un muro de cimentación continuo para contener la tierra circundante y sustentar los muros exteriores, así como las columnas de la superestructura superior. 1.

• Los espacios de gateo (ductos o vías para arrastrarse) cercados por un muro de cimentación continuo o por pilas suministran espacio bajo un primer piso para la integración y el acceso a instalaciones mecánicas, eléctricas y de plomería. 2.

• Las losas niveladas de concreto apoyadas directamente en el terreno y engrosadas para sustentar las cargas de los muros y de las columnas forman un sistema económico de cimentación y piso para estructuras de uno y dos pisos en climas donde ocurre poco o ningún congelamiento del suelo. 3.
• Una retícula de pilas o postes independientes puede elevar la superestructura por arriba de la superficie del suelo. 4.



Se pueden clasificar los sistemas áe cimentación en dos amplias categorías -cimentaciones poco profundas y cimentaciores profundas.

Cimentaciones poco profundas

Las cimentaciones ensanchadas o cimentadores poco profundas se emplear cuando existe suelo estable, con adecuada capacidad de carga, relativamente cerca de la superficie del suelo. Se colocan directamente debajo de la parte inferior de una subestructura y transfieren las cargas del edificio directamente al suelo sustentante mediante presión vertical.

Cimentaciones profundas

Las cimentaciones profundas se emplean cuando el suelo que subyace a la cimentación es inestable o de una capacidad de carga inadecuada. Se prolongan a través del suelo inapropiado para transferir las cargas del edificio a un estrato resistente más apropiado de roca o de arenas y gravas densas ciue están bastante debajo de la superestructura.

Los factores c[ue se deben considerar al seleccionar y diseñar el tipo de sistema de cimentación para un edificio incluyen:

• el patrón y la magnitud de las cargas del edificio
• las condiciones subsuperficiales y del agua subterránea
• la topografía del sitio
• el impacto en las propiedades adyacentes
• los requerimiento6 del reglamento de construcciones
• el método y el riesgo en la construcción.

El diseño de un sistema de cimentación requiere de un análisis y un diserío profesionales por un ingeniero especializado en estructuras. Cuando se disePíe una construcción que no sea una habitación unifamiliar en suelo estable, también es aconsejable hacer que un ingeniero geotécnico lleve a cabo una investigación subsuperficial con objeto de determinar el tipo y el tamatío del sistema de cimentación que se requiere para el diseño del edificio.

SISTEMAS DE CIMENTACIÓN

La cimentación es la parte más baja de un edificio —su subestructura— construida total o parcialmente por debajo del suelo. La función primaria es sustentar y anclar la superestructura superior y transmitir sus cargas confiablemente a la tierra. Debido a cjue sirve como un enlace crítico en la distribución y resolución de las cargas del edificio, el sistema de cimentación debe estar diseñado tanto para acomodar la forma y la disposición de la superestructura superior como para responder a las condiciones variables de suelo, roca y agua inferiores.

Las cargas principales sobre una cimentación son la combinación de cargas vivas y muertas cjue actúan verticalmente sobre la superestructura. Además, un sistema de cimentación debe anclar la superestructura contra el deslizamiento, el volteo y el levantado inducidos por el viento, resistir los movimientos repentinos del suelo por sismo y resistir la presión impuesta por la masa circundante de suelo y del agua subterránea sobre los muros del sótano. En algunos casos, un sistema de cimentación también tiene cjue contrarrestar el empuje de las estructuras de arco o a tensión.



El asentamiento es el hundimiento gradual de una estructura a medida «[ue el suelo debajo de la cimentación se consolida bajo la carga. A medida que se construye un edificio, se espera algún asentamiento al aumentar la carga sobre el cimiento y causar una reducción del volumen de vacíos en el suelo que contienen aire o agua. Esta consolidación generalmente es pequeña y ocurre más bien rápidamente cuando se aplican cargas sobre suelos densos y granulares, como arena y grava gruesas. Cuando el suelo del cimiento es una arcilla cohesiva húmeda, que tiene una estructura tipo de escama y un porcentaje de vacíos relativamente grande, la consolidación puede ser muy grande y ocurre lentamente en tiempo prolongado.



Un sistema de cimentación apropiadamente diseñado y construido debe distribuir sus cargas de modo o?e cualquier asentamiento que ocurra sea mínimo o esté distribuido uniformemente bajo todas las partes de la estructura. Esto se logra diseñando y dimensionando los apoyos del cimiento de modo que transmitan una carga igual por unidad de área al suelo o roca sustentantes sin sobrepasar su capacidad de carga.



El asentamiento diferencial - el movimiento relativo de las diferentes partes de una estructura causado por la consolidación desigual del suelo de la cimentación - puede hacer que un edificio pierda la vertical y se presenten grietas en la cimentación, la estructura o los acabados. Si es muy grande, el asentamiento diferencial puede resultar en la falla de la integridad estructural del edificio.




COLUMNAS DE ROCA - CIMENTACIONES SUPERFICIALES.

Un método actualmente usado para incrementar la capacidad de carga de cimentaciones superficiales sobre estratos de arcilla blanda es la construcción de columnas de roca, que consiste generalmente en introducir un vibroflot (sección 12.7) mediante un chorro de agua en el estrato de arcilla blanda para hacer un agujero circular que se extienda a través de la arcilla hasta suelo más firme. El agujero se reliena entonces con una grava seleccionada. La grava en el agujero es gradualmente compactada al retirar el vibrador. La grava usada para la columna de roca tiene tamaños que varían de entre 0.25 y 1.5 pulg (6-40 mm). Las columnas de roca tienen usualmente diámetros de 1.6 - 2.5 pies (0.5-0.75 m) y son espaciadas a distancias de 5-10 pies (1.5-3 m) entre centros. Después de la construcción de las columnas de piedra, siempre debe colocarse un  material de relleno sobre la superficie del terreno y compactarse antes de la construcción de la cimentación. Las columnas de piedra tienden a reducir el asentamiento de las cimentaciones bajo cargas permisibles. Varios casos-historia de proyectos de construcción usando columnas de roca fueron presentados por Hughes y Withers (1974), Hughes y otros (1975), Mitchell y Huber (1985), y otros más.



Asentamiento de cimentación construida sobre columnas de roca.
FIGURA 12.40 Asentamiento de cimentación construida sobre columnas de roca.
En la actualidad no se tiene una manera estándar de estimar el asentamiento de cimentaciones construidas sobre columnas de roca. Sin embargo, con base en la recomendación de Greenwood y Thompson (1984) y en observaciones del autor, se cia en la figura 12.40 una carta tentativa para estimar el asentamiento. Para utilizar la figura 12.40, use el procedimiento siguiente:

1. Determine el área de la sección transversal AS de la columna de roca.
2. Determine el área promedio de la cimentación AF de la columna.
3. Calcule la relación AF/AS.
4. Estime la resistencia cortante no drenada, cu. de la arcilla y el asentamiento probable SF de una cimentación de columna suponiendo que fue construida sin las columnas de piedra.
5. Con valores conocidos de AF/AS y cu, determine la relación SF/SS (SS = asentamiento probable de la cimentación construida sobre columnas de roca) con ayuda de la figura 12.40b.
6. Con valores conocidos de SF y SP/SS, calcule SS.

Hughes y otros (1975) proporcionaron una relación aproximada para la capacidad admisible de carga (qa) de columnas de roca, que se expresa como

Idelización de celda unitaria de una columna de roca.
FIGURA 12.41 Idelización de celda unitaria de una columna de roca.

Las columnas de roca trabajan más efectivamente cuando se usan para estabilizar una gran área donde la resistencia cortante no drenada del subsuelo varía entre 200 y 1000 lb/pie2 (10-15 kN/m2) que cuando se usan para mejorar la capacidad de carga de cimentaciones estructurales (Bachus y Barksdale, 1989). Los subsuelos más débiles que los anteriores no proporcionan suficiente soporte lateral para las columnas de roca. Para el mejoramiento de grandes sitios, las columnas de roca son más efectivas a una profundidad de entre 20 y 30 pies (6-10 m). Sin embargo, las columnas de roca han sido construidas hasta una profundidad de 100 pies (31 m). Bachus y Barksdale dieron las siguientes directrices generales para el diseño de columnas de roca para estabilizar grandes áreas:


La figura 12.41a muestra la vista en planta de varias columnas de piedra, y la figura 12.41b la descripción de una celda unitaria de una columna de roca. La razón de reem




Cuando se aplica un esfuerzo uniforme por medio de una operación de relleno a un área con columnas de roca para inducir consolidación, se presenta una concentración de esfuerzos debido al cambio de la rigidez entre las columnas de roca y el suelo que las rodea (figura 12.41c). El factor, n’, de concentración de esfuerzos se define como




La variación de μc y as y n’ se muestra en la figura 12.42. El mejoramiento del suelo debido a las columnas de roca se expresa como


Variación de μc con as y n’
FIGURA 12.42 Variación de μc con as y n’

DISEÑO DE CIMENTACIONES EN SUELOS SUSCEPTIBLES A LA HUMEDAD.

Si es probable que el estrato superior de suelo se humedezca y se colapse algún tiempo después de la construcción de la cimentación, deben considerarse varios procedimientos para evitar la falla de la cimentación.

1. Si la profundidad esperada de humedecimiento es aproximadamente de 5 a 6.5 pies (‘4,5 a 2 m) desde la superficie del terreno, el suelo debe ser humedecido y recompactado por medio de rodillos pesados.

Zapatas corridas y losas pueden construirse sobre el suelo compactado. Una alternativa a la recompactación por medio de rodillos pesados es el apisonado pesado a veces denominado cornpactación dinámica, consistente principalmente en dejar caer repetidamente un gran peso sobre el terreno. La altura de caída varía de 25 a 100 pies ( 8 a 30 m). Las ondas de esfuerzo generadas por la caída del martillo ayudan a densificar el suelo.

2. Si las condiciones son favorables, zanjas de cimentación se inundan con soluciones de silicato de sodio y cloruro de calcio para estabilizar el suelo químicamente. El suelo se comportará como una arenisca blanda y resistirá el colapso al saturarse. Este método tiene éxito sólo sí las soluciones penetran a la profundidad deseada; el método es entonces principalmente aplicable a depósitos de arena fina. Los silicatos son algo costosos y en general no se usan. Sin embargo, en algunas partes de Denver, los silicatos han sido usados con mucho éxito.

La inyección de una solución de silicato de sodio para la estabilización de depósitos de suelos colapsables fue usada extensamente en la antigua Unión Soviética y en Bulgaria (Houston y Houston, 1989). Este proceso se usa para suelos colapsables secos y para suelos colapsables húmedos que se compriman bajo el peso adicional de la estructura a construirse sobre ellos y consiste en tres pasos:

Paso 1. Inyección de bióxido de carbono para retirar cualquier presencia de agua y activación preliminar del suelo
Paso 2. Inyección de lechada de silicato de sodio
Paso 3. Inyección de bióxido de carbono para La neutralización de los álcali.

3. Cuando el estrato de suelo es susceptible al humedecimiento hasta una profundidad de aproximadamente 10 m, se usan varios procedimientos para ocasionar el colapso del suelo antes de la construcción de la cimentación. Dos de ellos son la vibroflotaeión y el embalse. La vibroflotaci6n se usa con éxito en suelos de drenaje libre. El procedimiento de embalse (por medio de la construcción de diques de baja altura) se utiliza en sitios que no tienen capas impermeables. Sin embargo, aún después de la saturación y del colapso del suelo por embalse, algún asentamiento adicional del suelo llega a ocurrir después de la construcción de la cimentación. Un asentamiento adicional también es causado por una saturación incompleta del suelo durante la construcción. El embalse se usa con éxito en la construcción de presas de tierra.

4. Si el precolapso del suelo no es práctico, las cimentaciones pueden extender- se más allá de la zona de posible humedecimiento, requiriendo pilotes y pilas perforadas. El diseño de estas cimentaciones debe tener en consideración el efecto de la fricción negativa que resulta del colapso de la estructura del suelo y del asentamiento asociado de la zona de humedecimiento subsecuente.

En algunos casos también debe considerarse un tipo de cimentación con columna de roca (vibroreemplazo).

Las columnas de roca se construyen con boleos grandes que penetran la capa de suelo potencialmente colapsable. Éstas actúan como pilas al transferir la carga a un estrato más estable de suelo.

DISEÑO DE CIMENTACIONES EN SUELOS NO SUSCEPTIBLES A HUMEDECERSE.

Para fines de diseño real de cimentaciones, se llevan a cabo algunas pruebas de carga estándar en campo. La figura 11.4 muestra los resultados de algunas pruebas de carga en campo en depósitos de loes en Nebraska y en Iowa. Note que las relaciones carga-asentamiento son esencialmente lineales hasta cierta presión crítica, p, en la cual se tiene una ruptura de la estructura del suelo y por consiguiente un asentamiento considerable. Las rupturas repentinas de la estructura de suelos son más comunes en suelos con contenido de agua natural alto que en suelos normalmente secos.
Resultados de prueba de carga estándar en depósitos tipo Loes en Iowa y Nebraska.
FIGURA 11.4 Resultados de prueba de carga estándar en depósitos tipo Loes en Iowa y Nebraska.

Si se toman suficientes precauciones en el campo para impedir que la humedad se incremente bajo las estructuras, se construyen cimentaciones corridas y losas de cimentación sobre suelos potencialmente colapsables. Sin embargo, las cimentaciones deben proporcionarse de manera que los esfuerzos críticos (figura 11.4) en el campo nunca se excedan. Un factor de seguridad de aproximadamente 2.5 a 3 debería usarse para calcular la presión admisible del suelo, o



Los asentamientos diferenciales y totales de esas cimentaciones deben ser similares a los de las cimentaciones diseñadas para suelos arenosos.

Las cimentaciones continuas son más seguras que las cimentaciones aisladas sobre suelos colapsables, ya que minimizan efectivamente los asentamientos diferenciales. La figura 11.5 muestra un procedimiento típico para la construcción cte cimentaciones continuas, mediante vigas zapatas y vigas longitudinales de carga.

En la construcción de estructuras pesadas, como silos para granos, sobre suelos colapsables, a veces son permitidos asentamientos de aproximadamente 1 pie ( 0.3 m) (Peck, Hanson y Thornburn, 1974). En este caso no es probable que ocurra una mclinación de la cimentación debido a que no hay una carga excéntrica. El asentamiento total esperado para tales estructuras debe estimarse por medio de pruebas de consolidacián estándar en muestras con contenido de agua de campo. Sin carga excéntrica, las cimentaciones exhibirán un asentamiento uniforme sobre depósitos tipo loes; sin embargo, si el suelo es de naturaleza aluvial natural o residual, el asentamiento podrá no ser uniforme. La razón es la no uniformidad generalmente encontrada en los suelos residuales.

En la construcción de estructuras pesadas deberá tenerse un cuidado extremo al plantarlas sobre suelos colapsables. Si se esperan grandes asentamientos deberán considerarse cimentaciones a base de pilotes o pilas perforadas. Ese tipo de cimentaciones transfieren la carga a un estrato con mayor capacidad de carga.

FIGURA 11.5 Cimentación con contratrabes de carga.