ESTABILIZACIÓN CON CEMENTO - MEJORAMIENTO DEL TERRENO.

El cemento se usa cada vez más como estabilizador para suelos, particularmente en la construcción de carreteras y presas de tierra. La primera construcción controlada con suelo-cemento en Estados Unidos se llevó a cabo cerca de Johnsonville, Carolina del Sur, en 1935. El cemento se usa para estabilizar suelos arenosos y arcillosos. Como en el caso de la cal, el cemento ayuda a disminuir el límite líquido y a incrementar el índice plástico y la manejabilidad de los suelos arcillosos. Para suelos arcillosos, la estabilización con cemento es efectiva cuando el límite líquido es menor que 45-50 y el índice plástico es menor que aproximadamente 25. Los requisitos óptimos del cemento por volumen para la estabilización efectiva de varios tipos de suelos están dados en la tabla 12.8.

Como la cal, el cemento ayuda a incrementar la resistencia de los suelos y la resistencia crece con el tiempo de curado. La tabla 12.9 presenta algunos valores típicos de la resistencia a compresión no confinada de varios tipos de suelos no tratados y mezclas suelo-cemento hechas con aproximadamente 10% de cemento por peso.

Los suelos granulares y arcillosos con baja plasticidad son obviamente los más adecuados para la estabilización con cemento. Las arcillas cálcicas son más fácilmente estabilizadas por la adición de cemento, mientras que las arcillas sódicas e hidrogenadas, de naturaleza expansiva, responden mejor a la estabilización con cal, Por estas razones debe ponerse atención a la selección del material estabilizador.

Para compactación en campo, la cantidad apropiada de cemento se mezcla con suelo ya sea en el sitio o en una planta mezcladora y luego se lleva al sitio. El suelo es compactado al peso unitario requerido con una cantidad de agua predeterminada.

Igual que la inyección de cal, el mortero hecho de cemento Portland y agua (relación agua-cemento = 0.5:5) se usa para la cementación de suelos pobres bajo cimentaciones de edificios y otras estructuras. La cementación disminuye la permeabilidad hidráulica de los suelos e incrementa la resistencia y la capacidad de carga. En el diseño de cimentaciones de maquinaria de baja frecuencia sometidas a fuerzas vibratorias, a veces es necesario rigidizar la cimentación por cementación incrementando así la frecuencia de resonancia.

CONSTRUCCIÓN MEJORAMIENTO DEL SUELO Y MODIFICACIÓN DEL TERRENO.

INTRODUCCIÓN
El suelo en un sitio de construcción no será siempre totalmente adecuado para soportar estructuras como edificios, puentes, carreteras y presas. Por ejemplo, en depósitos de suelo granular el suelo in situ tal vez esté muy suelto e indique un gran asentamiento elástico. En tal caso, tiene que ser densificado para incrementar su peso específico así como su resistencia cortante.

Algunas veces, las capas superiores del suelo no son adecuadas y deben retirar- se y reemplazarse con mejor material sobre el cual pueda construirse una cimentación estructural. El suelo usado como relleno debe estar bien compactado para soportar la caga estructural deseada. Los rellenos compactados también se requieren en área de poca altura para elevar el terreno donde se construirá una cimentación.

Estratos de ardua blanda saturada a menudo se encuentran a poca profundidad debajo de las cimentaciones. Dependiendo de la carga estructural y de la profundidad de los estratos de arcilla, ocurren grandes asentamientos por consolidación, requiriéndose entonces procedimientos especiales de mejoramiento del suelo para minimizar los asentamientos.

Anteriormente mencionamos que las propiedades de los suelos expansivos se alteran considerablemente agregando agentes estabilizadores como la cal. El mejoramiento in situ de suelos por medio de aditivos se conoce como estabilización.

Varios procedimientos para el mejoramiento del suelo se usan para:

1. Reducir el asentamiento de las estructuras
2. Mejorar la resistencia cortante del suelo e incrementar así la capacidad de carga de las cimentaciones superficiales
3. Incrementar el factor de seguridad contra posibles fallas de los taludes de riberas y presas de tierra
4. Reducir la contracción y expansión de suelos.

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.

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.

CIMENTACIONES SOBRE SUELOS DIFÍCILES.

INTRODUCCIÓN 
En muchas áreas de Estados Unidos y otras partes del mundo, ciertos suelos hacen la construcción de cimentaciones extremadamente difícil. Por ejemplo, los suelos expansivos o colapsables llegan a causar grandes movimientos diferenciales en las estructuras debido a un excesivo levantamiento o asentamiento.

Problemas similares también surgen cuando las cimentaciones se construyen sobre rellenos sanitarios. Los ingenieros de cimentaciones deben ser capaces de identificar los suelos difíciles encontrados en el campo.

Aunque no todos los problemas causados por todos los suelos pueden resolverse, medidas preventivas deben tomarse para reducir la posibilidad de daños a estructuras construidas sobre ellos. Este capítulo subraya las propiedades fundamentales de tres condiciones de suelos: los suelos colapsables, los suelos expansivos y los rellenos sanitanos, así como los métodos de una cuidadosa construcción de cimentaciones.

PILAS - ESPESOR DEL SELLO DE CONCRETO EN CAJONES ABIERTOS .

Ateriormente mencionamos que, antes de achicar el cajón, se coloca un sello de concreto en el fondo del mismo (figura 10.33) y se deja algo de tiempo para el curado. El sello de concreto debe ser suficientemente grueso para resistir una fuerza hidrostática hacia arriba desde su fondo después de que el achique se concluya y antes de que el concreto llene el cajón. Con base en la teoría de la elasticidad, el espesort, de acuerdo con Teng (1962), es

FIGURA 10.33 Cálculo del espesor del sello par un cajón abierto.

 y

De acuero con la figura 10.33, el valor de q en las Ecs. (10.48) y (10.49) se aproxima como

donde γc= peso específico del concreto

El espesor del sello calculado con las ecuaciones (10.48) y (10.49) será suficiente para protegerlo contra el agrietamiento inmediatamente despueés del achique. Sin embargo, otras dos condiciones deben también revisarse por seguridad.

1. Revisión del cortante perimetral en la cara de contacto del sello y el cajón.

De acuero con la figura 10.33, la fuerza neta hidrostática hacia arriba en el fondo del sello es AiHγw - Aitγc( donde Ai =  π(Ri)^2 para cajones circulares y Ai = LiBi para cajones rectangulares). El cortante perimetral desarrollado es entonces

2 Revisión por flotación

Si el cajón está completamente achicado, la fuerza de flotación hacia arriba, Fu. es

Si Fd > Fu, el cajón está seguro por flotación. Sin embargo, si Fd < Fu, achicar por completo el cajón será inseguro. Por esta razón, el espesor del sello debe incrementarse en  Δt [más allá del espesor calculado al usa la Ec. (10.48) o (10.49)] o

TIPOS DE CAJONES - PILAS.

Los cajones se dividen en tres tipos principales: (1) cajones abiertos, (2) cajones cerrados y (3) cajones neumáticos.

Los cajones abiertos (figura 10.30) son pilas de concreto que permanecen abiertas en sus partes superior e inferior durante la construcción. El fondo del cajón tiene un borde cortante. El cajón se entierra en su lugar y el suelo del interior se retira por medio de cucharones de almeja hasta alcanzar el estrato de apoyo. Los cajones pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares u ovalados. Una vez alcanzado el estrato de apoyo, se vierte concreto en el cajón (bajo agua) para formar un sello en su fondo. Cuando fragua el concreto del sello, el agua dentro del cajón se bombea hacia afuera. Se vierte entonces concreto en el cajón para llenarlo.

FIGURA 10.30 Cajón abierto.

Los cajones abiertos pueden extenderse a grandes profundidades y el costo de construcción es relativamente bajo, sin embargo, una de sus principales desventajas es la falta de control de calidad sobre el concreto vertido para formar el sello. Además, el fondo del cajón no llega a ser limpiado completamente. Un método alternativo de construcción de cajones abiertos es hincar varias tablaestacas para formar una zona encerrada que se llena con arena a la que se llama generalmente isla de arena. El cajón se entierra entonces a través de la arena hasta el estrato deseado de apoyo, procedimiento algo parecido al hincado de un cajón cuando la superficie del terreno está arriba del nivel freático.

Los cajones cerrados (figura 10.3 1) son estructuras con fondo cerrado y se construyen en tierra y luego se transportan al sitio de la construcción. Se entierran gradualmente en el sitio llenando su interior con arena, balasto, agua o concreto. El costo de este tipo de construcción es bajo. La superficie de apoyo debe estar a nivel, y si no lo está, debe nivelarse por excavación.

FIGURA 10.31 Cajón cerrado.

Los cajones neumáticos (figura 10.32) se usan generalmente para profundidades de entre 50 y 130 pies (15—40 m). Este tipo se requiere cuando una excavación no logra mantenerse abierta porque el suelo fluye al área excavada más rápidamente de lo que puede ser removido. Un cajón neumático tiene una cámara de trabajo en el fondo que tiene por lo menos 10 pies ( 3m) de altura. En esta cámara, los trabajadores excavan el suelo y cuelan el concreto. La presión de aire en la cámara se mantiene suficientemente alta para impedir que el agua y el suelo penetren en ella. Los trabajadores usualmente no tienen molestias severas cuando la presión en la cámara se eleva a 15 Ib/puig2 ( 100 kN/m2) por encima de la presión atmosférica.

FIGURA 10.32 Cajón neumático.

Más arriba de esta presión se requieren periodos de descompresión cuando los trabajadores salen de la cámara. Cuando se requieren presiones en la cámara de aproximadamente 44 lb/puIg2 ( 300 kN/m2) por arriba de la presión atmosférica, los trabajadores no deben permanecer dentro de la cámara por más de 1 a 2 horas por periodo de trabajo. Los trabajadores entran y salen de la cámara por medio de una escalera dentro de un tubo de acero. Éste también se usa para retirar el suelo excavado y para la colocación del concreto. En grandes construcciones, más de un tubo es necesario; se proporciona una antecámara de compresión en cada uno de ellos. Los cajones neumáticos se entierran gradualmente conforme avanza la excavación. Cuando se alcanza el estrato de apoyo, la cámara de trabajo se llena con concreto. El cálculo de la capacidad de carga de los cajones es similar al de las pilas perforadas.