Cimentaciones Profundas

 

 

¿Que son las cimentaciones profundas?

Las cimentaciones profundas se definen como las encargadas de transportar la carga de una estructura a través de suelos que se caracterizan por ser débiles o rellenos hasta tipos de suelos o rocas que cuentan con una mayor capacidad portante y que son menos comprensibles en profundidad.

Objeto de una cimentacion profunda

El objeto de una cimentacion profunda es transmitir al terreno de forma amortiguada las cargas estructurales que no pueden transmitirse directamente al mismo por ser un material de baja resistencia y elevada deformabilidad.

Las cimentaciones profundas se realizan muy por debajo de la superficie del terreno con el fin de que la estructura que se va a construir no sufra ningún tipo de daño como por ejemplo los asentamientos diferenciales o cualquier otra condición de la superficie que le pueda generar algún problema, este tipo de cimentación se encuentra por lo general a profundidades mayores de 3 metros por debajo del nivel del suelo terminado.

En atención a lo expuesto, las cimentaciones profundas se usan en el momento que se necesita transferir la carga de una estructura hasta un estrato más profundo que tenga la capacidad portante adecuada o que sea suficientemente competente para soportar las cargas de la estructura que se piensa construir. 

Estudios de Mecanica de Suelos o Estudios Geotécnicos en el proceso constructivo de Cimentaciones Profundas

Al hacer referencia a cimentaciones profundas, se hace necesario conocer las características del tipo de terreno sobre el cual se tiene contemplado  construir determinada edificación, esto se logra a través de los Estudios Geotécnicos, ya que nos permiten obtener información de un determinado terreno.

Los estudios Geotécnicos se realizan previamente al proyecto de un edificio y tiene por objeto determinar la naturaleza y propiedades del terreno, necesarios para definir el tipo y profundidad de cimentación.

En Chile, los Estudios de Mecánica de Suelos, están regulados por la Normativa de los Informes Geotécnicos NCh1508:2014, esta norma establece los requisitos mínimos que deben cumplir los estudios de mecánica de suelos para un proyecto u obra de edificación y urbanización, lo anterior no excluye que se deban realizar análisis adicionales o específicos para situaciones singulares, como por ejemplo, estructuras emplazadas en taludes o en su vecindad, áreas con riesgo geológico u otras, donde se resalta que estos informe deben contener:

• Preámbulo
  1) Alcance y campo de aplicación
  2) Referencias normativas
  3) Términos y definiciones
  4) Símbolos
  5) Tipos de estudios de mecánica de suelos
  5.1 Estudio de mecánica de suelos
  5.2 Estudio preliminar
  5.3 Estudio especial
  6) Estudio de mecánica de suelos
  6.1 Trabajo de gabinete inicial
  6.2 Trabajo de campo
  6.2.1 Exploración del subsuelo
  6.2.2 Ensayos y mediciones en sitio
  6.2.3 Prospección geofísica
  6.3 Ensayos de laboratorio
  6.4 Informe de mecánica de suelos
  6.5 Seguimiento geotécnico
  6.6 Validez del estudio de mecánica de suelos
  Anexos
  Anexo A (Normativo) Exploración del subsuelo por métodos directos y/o mecánicos
  A.1 Generalidades
  A.2 Cantidad mínima de puntos de exploración
  A.3 Profundidad mínima a alcanzar en cada punto de exploración para cargas estáticas
  A.3.1 Fundaciones superficiales
  A.3.2 Fundaciones profundas
  A.4 Cantidad y tipo de muestras a extraer
  A.5 Profundidad mínima a alcanzar para la clasificación sísmica del sitio
  Anexo B (Informativo) Ensayos de laboratorio y terreno

Causas de Cimentaciones Defectuosas

Las cimentaciones defectuosas se originan entre el suelo y la estructura de los cimientos, ya que la cimentación transmite las cargas al terreno y este se deforma bajo esta presión. Es muy complicado que no se produzcan estos fenómenos, ya que, los suelos no están compuestos de forma homogénea, si no que es una formación heterogénea formada de diferentes componentes. La resistencia y deformabilidad del terreno pueden ser afectadas entre otras por causas como:

– Modificaciones en el contenido de la humedad.
– Lavado de áridos.
– Disoluciones.
– Actividades de la construcción en área próxima.

Las causas citadas anteriormente, influyen al suelo, pero existen otras causas o factores que influyen en la cimentación como:

– Deterioro de los materiales de la cimentación.
– Mal comportamiento de los cimientos.
– Cargas mal calculadas en el proyecto  lo que origina que la estructura estructura de los cimientos no está bien construida.

Tipos de Cimentaciones Profundas

Las cimentaciones profundas cuentan con una gran clasificación o variedad, entre estas están las cimentaciones por sustitución, las cimentaciones por flotación, los muros pantalla, y los pilotes. A continuación, describiremos los tipos de cimentación profunda más comunes y que más se utilizan para diferentes tipos de proyectos.

Cimentaciones por Sustitucion

Estas cimentaciones se realizan mediante la excavación del terreno, donde el peso del material excavado y extraído será igual o proporcional al peso de la construcción a realizar; conociendo cada una de las capas que componen dicho suelo (características del terreno) y según las características de la estructura que sustentará y las cargas que actúen sobre la misma.

Cimentaciones por Flotacion

Las Cimentaciones por Flotación se basan en el Principio de Arquímedes que postula lo siguiente: Todo cuerpo sumergido en un líquido estático experimenta un empuje vertical ascendente igual al peso del volumen del liquido desalojado. Por ello, deberá preverse en este tipo de construcciones que se ejecuten perfectamente impermeables calculando la reacción al empuje ascendente vertical para evitar el hundimiento o el volteo de la estructura.

Pilas y Cilindros

En la ingeniería de cimentaciones el termino pila tiene dos significados diferentes. De acuerdo con uno de sus usos la pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple una zapata, es decir transmitir las cargas que soporta al suelo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad de la cimentación con respecto a la base de las pilas es por lo general mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es menor que la unidad.

De acuerdo con su segundo uso, una pila es el apoyo, ya sea de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente. Puede considerarse a la pila en sí misma, como una estructura que a su vez debe estar apoyada sobre una cimentación adecuada. La base de una pila puede descansar directamente sobre un estrato firme o puede estar apoyada sobre una serie de pilotes. Los cuerpos de pila situados en los extremos de un puente reciben el nombre de estribos.

Las dimensiones del cuerpo de una pila están restringidas entre otras cosas por la magnitud de las reacciones de los apoyos, la distancia para la dilatación de la superestructura y la distancia entre armaduras y trabes. Hay varios tipos de pilas: las llenas se usan regularmente en puentes ferroviarios, las dobles de adaptan muy bien a puentes carreteros y las pilas T suelen usarse para librar claros sobre vías de ferrocarril o carreteras.

Proceso Constructivo de Pilas

Para la construcción de pilas se presentan tres procesos constructivos.

El primero consiste en excavar hasta el nivel de cimentación y luego construir una pila dentro de dicha excavación. Cuando la excavación se realiza bajo el agua, el forro de la excavación se denomina ataguía. Los pasos a seguir son los siguientes:
 a) Hincado de tablestacas.
 b) Apuntalamiento interior de las caras que se encuentran en seco.
 c)Descenso del nivel de agua y apuntalamiento de la zona.
 e) Figurada del hierro y vaciado del concreto.

El segundo método consiste en hincar cajones, cajas o cilindros hasta la profundidad deseada y luego el material interior es extraído por excavación o dragado. El procedimiento es el siguiente: 
 a)Construcción del cajón.
 b) El hincamiento se lleva a cabo sacando material del interior de ellos, lo que produce que el cajón comience a penetrar en el suelo gracias a su propio peso.
 c) Una vez alcanzada la profundidad final, se introduce el refuerzo y el fondo de la excavación se llena con concreto por medio de un tubo trompa de elefante.

El último método consiste en excavar las pilas con máquinas perforadoras provistas con barrenos. Estas excavan hasta lugares donde el suelo lo permita sin derrumbarse. Una vez se llega a suelos de esta clase se utilizan lodos bentoníticos para llenar la excavación y permitir continuar con la misma. Cuando se alcanza la profundidad necesaria o se llega a un estrato cohesivo, se detiene la excavación y se inserta un tubo llamado camisa (o ademe). Este tubo permite seguir excavando y evitar que el suelo se derrumbe dentro de la excavación. Por último se introduce el refuerzo y se funde el concreto recordando retirar la camisa.

Pilotes

Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal pequeña en comparación con su longitud. Se hincan en el suelo a base de golpes generados por maquinaria especializada, en grupos o en filas, conteniendo cada uno el suficiente número de pilotes para soportar la carga de una sola columna o muro.

Son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno (pilotes de extracción ejecutados in situ). Antiguamente eran de madera, hasta que en los años 1940 comenzó a emplearse el hormigón. 

Así, en una primera clasificación muy básica, los sistemas de pilotaje más usados en la actualidad son:

1. Pilotes hincados prefabricados:
a. De hormigón.

b. Metálicos (perfiles laminados, tubos huecos o rellenos, otros).

c. Tubulares de hormigón armado o pretensado.

2. Pilotes hormigonados in situ:

a. Hinca de una entubación recuperable con un azuche o tapón perdido en la punta. Hormigón vertido o apisonado.

b. Perforados con cuchara de hélice, cabeza rotativa, otros, al abrigo o no de una entubación recuperable. Hormigonado con tubo tremie desde el fondo.

c. Barrenados, introduciendo un mortero a presión por el eje de la hélice que extrae el terreno y contiene la cavidad. Las armaduras se introducen con el mortero fresco.

Tipos de Pilotes

Los pilotes se construyen en una gran variedad de materiales, longitud y forma de su sección, y que se adaptan a diversas necesidades de carga, colocación y economía. Entre algunos de los más comunes tenemos:

• Pilotes de madera: Son el tipo de pilote más antiguo, ya desde la época del Imperio Romano se utilizaban. Proporcionan una cimentación segura y económica con ciertas restricciones, su longitud está limitada por la altura de los árboles disponibles. No pueden resistir esfuerzos debidos a un fuerte hincado ya que pueden romperse fácilmente, sobre todo cuando se penetran estratos muy resistentes.
• Pilotes de concreto: Son de los más usados en la actualidad, los hay de sección circular, cuadrada y octagonal y en tamaños de 8, 10 y 12 metros. Pueden dividirse en dos categorías: colocados en el lugar -in situ- y prefabricados. Los colocados en el lugar pueden ser con o sin ademe. Los prefabricados pueden ser también preesforzados con el fin de reducir las grietas que se forman por el manejo e hincado además de que proporciona resistencia a los esfuerzos de flexión. Todos los pilotes de concreto son reforzados con acero apara evitar que sufran daños durante su transportación y colocación.
• Pilotes de acero: Los tubos de acero se utilizan mucho como pilotes y usualmente se llena de concreto después de hincados, y si el hincado es violento es posible utilizar perfiles I o H de acero. Estos pilotes están sujetos a corrosión, aunque el deterioro no es significativo aunque si se hincan bajo el mar, la acción de las sales puede ser importante.

Ventajas y desventajas que presentan los pilotes

Algunas de las ventajas en el uso de pilotes 

Resultan convenientes cuando las condiciones del suelo no son favorables para la utilización de otro tipo ce cimentaciones.

Proporcionan buenas soluciones para la distribución de cargas en el subsuelo ya que pueden trabajar individualmente o en grupos de pilotes.

Algunas de las desventajas en el uso de pilotes

• La dificultad de aumentar o reducir su longitud en caso de que ésta no sea bien estimada.
• Es difícil saber a simple vista cuando un pilote ha fallado, ya que no es necesario que el pilote desaparezca en las profundidades subterráneas ni tampoco que se rompa o doble.
• Si un pilote es colocado en un lugar equivocado, ya no es posible su extracción para reutilizarlo.

Pantallas

Son muros verticales profundos que soportan las presiones del terreno; por tanto, es necesario anclar el muro a dicho terreno.

Tipos de pantallas

• Pantallas isostáticas: con una línea de anclajes.
• Pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.

Procedimiento Constructivo de las Cimentaciones Profundas

– Realizar la excavación hasta llegar a suelo competente y se sustituye el existente por un terreno mejorado y compactado. Esta constituye una solución válida en casos de espesores y cargas uniformes y pequeñas.

– Técnicamente, solo se definirán bien las características del material usado en el relleno, la densidad y humedad máximas (Ensayo Proctor) y espesores de material aportado.

– Debe realizarse un control con medidas de humedad (in situ) y densidad, y los ensayos correspondientes de placa de carga para evaluar posibles asientos y deformaciones.