Cimentación en arcillas homogéneas

En lo referente al aspecto de capacidad de carga, las cimentaciones poco profundas en arcillas homogéneas pueden calcularse con la teoría de Terzaghi o de Skempton, tal como están expuestas particularizadas para el caso.
Formula de Terzaghi:

qc = cNc + γDfNq + 1/2γBNγ

Formula de Skempton:

qc = cNc + γDf

Quizá la teoría de Skempton sea la más completa para la aplicación al caso en estudio, pero la teoría de Terzaghi proporciona valores muy similares de la capacidad de carga, por lo que la distinción entre ambas teorías tiene más de académica que de real en cimentaciones poco profundas.

En cualquiera de los dos casos, la expresión a usar es del tipo:

qc = cNc + γDf

La capacidad de carga ultima depende ahora esencialmente de la “cohesión” del material y de la presión actuante al nivel de desplante (γDf). El ancho del cimiento no interviene si se aplica la Teoría de Terzaghi y su intervención es indirecta (a través de la relación de D/B) en la Teoría de Skempton.

El valor de c puede obtenerse de una prueba triaxial rápida, que es la que mejor refleja dentro de un criterio de trabajo con esfuerzos totales, la circunstancia de la cimentación, en que la etapa inicial antes de la consolidación, suele ser la más crítica. Frecuentemente suele usarse como alternativa la prueba de compresión simple, algo más sencilla y rápida de ejecución: sin embargo, hay ciertos aspectos que hacen preferible la prueba triaxial rápida, cuando la disponibilidad de equipo y otros factores hagan posible su realización. En general la prueba de compresión simple proporciona valores de la resistencia del suelo algo inferiores a los de una prueba rápida: la razón estriba en la falta de soporte lateral que se tiene en una prueba de compresión simple, lo que hace que cualquier fisura o pequeña irregularidad estructural se refleje en el resultado de la prueba; por otra parte, la arcilla en la naturaleza posee siempre un cierto grado de confinamiento, por lo que, para una cimentación, suelen considerarse algo más representativos los resultados de una prueba rápida.

La capacidad de carga en arcillas homogéneas depende también, de la presión existente al nivel de desplante (γDf). En este caso existe una diferencia importante en el cálculo, según la cimentación sea o no impermeable, cuando el nivel de desplante se habrá aliviado el terreno en una presión que es la total correspondiente a esa profundidad; por el contrario, en una cimentación permeable y por ello llena de agua hasta una altura igual a la del nivel freático, la descarga efectuada por la excavación no incluye a la presión del agua, por lo que el termino γDf, debe representar únicamente la presión efectiva y así debe ser calculado; por ello, deberá usarse el peso específico sumergido en la parte del suelo a nivel de desplante, la presión debida al agua en el mismo nivel.

En arcillas homogéneas el que el nivel de desplante quede bajo el nivel freático ya no suele ser un problema tan grave como en el caso de arenas; las arcillas por su impermeabilidad permiten mantenerse las cepas de excavación en seco con un bombeo moderado y no muy costoso. Ahora bien, si la excavación es de gran área y profundidad, el bombeo no se podrá emplear despreocupadamente, pues el flujo de agua hacia la excavación, en el fondo de la misma, produce expansiones que posteriormente se traducirán en asentamientos de la estructura: en estos casos, lo indicado es o bien hacer la excavación en secciones de área menor o bien recurrir a métodos para disminuir el flujo del agua hacia el fondo de la excavación. Tales como pozos de captación o similares.

Otro problema de las excavaciones en arcillas especialmente de las relativamente profundas, es el que se refiere a la estabilidad de los taludes de las mismas y a los movimientos verticales y horizontales que se producen en las zonas adyacentes a la excavación propiamente dicha. La estabilidad probablemente ya difícil de por si, por la baja resistencia común en las arcillas, se ve especialmente comprometida por el flujo lateral del agua hacia la excavación. La disminución de la resistencia al esfuerzo cortante que este flujo produce, así como el efecto de las fuerzas de filtración, son factores que deben considerarse en cualquier análisis de estabilidad a plazo relativamente largo. El tablestacado es otra de las formas de estabilizar los bordes de una excavación, generalmente preferible en zonas en que por existir edificaciones vecinas u otras causas similares, no sean tolerables desplazamientos en el terreno.

En regiones muy frías, el suelo se congela cuando la temperatura del ambiente es inferior a 0o C. esto produce expansiones que dependen tanto de los factores ambientales como de la naturaleza del suelo. Una cimentación desplantada en este suelo se eleva durante la congelación y desciende bruscamente en el deshielo; para evitar estos factores perjudiciales, la cimentación deberá desplantarse a suficiente profundidad. La profundidad máxima de congelación puede establecerse a partir de la experiencia local y la profundidad de desplante recomendable por este concepto será de ese orden en suelos muy susceptibles a la acción del congelamiento, pudiéndose llegar a la mitad de dicho valor en suelos poco susceptibles. En la República Mexicana los espesores máximos de congelamiento son del orden de 40cm en el norte del país, por lo que puede decirse que el problema es inexistente, si se tiene en cuenta lo discutido al respecto a la profundidad de desplante mínima recomendable en cualquier circunstancia.

Un aspecto muy importante en las cimentaciones poco profundas en arcillas es el relativo a los cambios volumétricos que ocurren en el suelo al variar su contenido de agua; estas variaciones proceden por lo general de periodos de estiaje y lluvias, aunque a veces son causados por factores más limitados, como riesgo de ciertas áreas o la existencia de hornos o calderas inadecuadamente aisladas. En áreas cubiertas de gran extensión el efecto es siempre más notorio en los bordes que en el centro, más protegido, lo que se traduce en movimientos diferenciales que causan daños progresivos. En regiones áridas, basta la reducción de evaporación que produce una vivienda o un pavimento al cubrir el suelo, para producir humedecimiento en la zona cubierta, con la correspondiente expansión; las grietas longitudinales de las carreteras en estas zonas, tienen este origen. En las regiones húmedas el efecto es el contrario; cuando por alguna razón el suelo se seca, sobreviene el enjutamiento y el agrietamiento y cualquier estructura suprayacente se asienta y se daña.

A veces, el agua que los arboles absorben es suficiente para producir cambios de volumen de importancia; esto aparte del efecto destructor que las raíces pueden ejercer por sí mismas.
Estudios realizados por Holtz y Gibbs han permitido ligar la susceptibilidad de las arcillas a los cambios volumétricos con su índice plástico y su límite de contracción. Como resultado de tales estudios ha podido establecerse la siguiente relación empírica:

Susceptibilidad a cambios de volumen por cambios de contenido de agua Índice de plasticidad

Límite de contracción

Susceptibilidad a cambios de volumen por cambios de contenido de agua	Índice de plasticidad		Límite de contracción
	Regiones áridas	Regiones húmedas
Poca	0-15	0-30	12 o mas
Poca a media	15-30	30-50	10-12
Media a alta	30 o mas	50 o mas	10 o menos

Los cambios volumétricos son máximos en la superficie del suelo y nulos en la profundidad correspondiente al nivel freático; cuando este no aparece dentro de la zona sujeta a cambios, la profundidad de esta zona es muy variable, dependiendo de los factores que provoquen la variación y de la naturaleza del suelo.
La profundidad de desplante deberá de quedar siempre bajo la zona sujeta a cambios volumétricos, cuando esta pueda ser determinada. Si esto último no es posible, el problema ha de ser resuelto con criterio y experiencia ceñido a las condiciones locales.

En cimentaciones poco profundas en arcillas homogéneas el problema de asentamientos por consolidación suele ser el factor dominante en su comportamiento, de manera que la presión admisible desde el punto de vista de la resistencia del suelo suele quedar limitada por el valor que produzca el máximo asentamiento tolerable para la estructura que se desea cimentar.

Los asentamientos por consolidación se calculan recurriendo a la Teoría de la Consolidación Unidimensional con Flujo Vertical, calculando los asentamientos que corresponden a cada elemento de la cimentación pueden obtenerse los asentamientos diferenciales, que son los que a fin de cuentas suele interesar al proyectista de la estructura. Debe tenerse en cuenta que al calcular el asentamiento producido debajo de la zapata, deben de hacerse intervenir las presiones que transmiten otras zapatas vecinas, situadas a distancias en que su influencia alcance a hacerse notar.
En el cálculo de asentamientos por consolidación solo deben intervenir las cargas muertas y las vivas permanentes, pues las cargas accidentales o transitorias actúan un tiempo pequeño en comparación al requerido para influenciar un proceso de consolidación.

Los asentamientos diferenciales que una estructura puede tolerar depende de su función y de características de la propia estructura y no puede darse un criterio general al respecto; en este punto el ingeniero especialista en suelos a de quedar subordinado a las necesidades del ingeniero estructural.

Los asentamientos totales son muy importantes cuando existen estructuras vecinas a la considerada que pueden sufrir perjuicios por el movimiento de esta o cuando existan instalaciones, ductos, etc., que no soportan sin daño los hundimientos resultantes.

Las formulas a utilizar para calcular la capacidad de carga en este caso, la cual depende de la resistencia del suelo sin consolidación y sin drenaje (ca) y la presión actuante como sobrecarga al nivel de desplante de del cimiento (YDf).

El valor de (Cn) puede obtenerse en pruebas triaxiales rápidas, como se dijo pero también de otros modos, de los que la prueba de compresión simple y la prueba de veleta son los más difundidos. La prueba de comprensión simple es muy frecuentemente usada por ser algo más sencilla y rápida de ejecución; es común que el valor de (Cu) que en ella se obtenga sea menor que el que se obtiene con la prueba triaxial, a causa de la falta de soporte lateral que se tiene a la comprensión simple que hace que cualquier fisura o pequeña irregularidad estructural se refleje en el resultado de la prueba; por otra parte, la arcilla en la naturaleza posee un cierto grado de confinamiento, por lo que, para una cimentación ,suele considerarse algo más representativo los resultados obtenidos en cámara triaxial.

En cimientos superficiales desplantados en arcillas homogéneas existe una diferencia, importante en la secuela del cálculo a efectuar cuando el nivel de desplante queda bajo el nivel freático, según la cimentación sea o no impermeable. En el primer caso, en el nivel de desplante se abra aliviado al terreno en una presión que es la total correspondiente a esa profundidad; por el contrario, en una cimentación permeable, llena de agua hasta una altura igual a la del nivel freático, la descarga efectuada por la excavación no incluye la presión delo agua por lo que el termino (yDf) debe representar únicamente a la presión efectiva y así debe de ser calculado; para ello deberá usarse el peso específico sumergido en la parte del suelo bajo el nivel freático o bien deberá restarse a la presión total al nivel de desplante, la presión de agua correspondiente al mismo nivel.

En los suelos francamente arcillosos ya no suele ser un problema grave como lo era en la arena y grava, el que el nivel de desplante quede bajo el nivel freático, cuando se tratan de cimentaciones para puentes o pasos a desnivel; la baja permeabilidad de las arcillas permite mantener las excavaciones en seco, mediante un bombeo moderado y usualmente no muy costoso.se exceptúan las excavaciones de una gran área y profundidad, que pueden llegar a presentarse en los grandes puentes, en los que un bombeo intenso pude ser causa de que el agua se fluya hacia las paredes y el fondo de las excavaciones produzca problemas de estabilidad de taludes y expansiones en el fondo, que posteriormente se traducirán en asentamientos. En estos casos, raros en la tecnología de las vías terrestres habrá de recurrirse a la excavación por secciones o a métodos para disminuir, captar o controlar el flujo de agua hacia la excavación.

En las cimentaciones superficiales en arcilla el problema de los asentamientos suele ser el factor predominante, de manera que la presión admisible desde el punto de vista de resistencia, suele quedar limitada por el valor que produce el máximo asentamiento tolerable. Los asentamientos por consolidación pueden calcularse haciendo uso de la teoría de la consolidación unidimensional con flujo vertical. Calculando los asentamientos de cada apoyo de la estructura vial podrá conocerse los asentamientos diferenciales que son los que al fin de cuentas suelen interesar más al proyectista de la estructura. Al calcular el asentamiento producido en cada zapata deben hacerse intervenir las presiones que transmitan zapatas vecinas, pero situadas a distancia en que su influencia se haga notar. En el cálculo de asentamientos por consolidación solo deben intervenir las cargas muertas y vivas permanentes, pues las accidentales actúan en un tiempo pequeño en comparación al requerido para influir en un proceso de consolidación. Los asentamientos diferenciales que pueda tolerar una estructura vial depende de su función y características; este es un punto en que el ingeniero especialista en cimentaciones a de sobornizarse a las necesidades del ingeniero proyectista estructural. Los asentamientos totales tienen importancia intrínseca cuando existan estructuras vecinas ala considerada que puedan sufrir perjuicios por el movimiento de esta o cuando existan instalaciones, ductos, etc. Que no soporten sin daños los asentamientos que se produzcan.

La aplicación de la teoría de la consolidación tradicional a las obras viales es muchas veces cuestionable, sobre todo en los puentes, pues es común que los causes de los ríos sean zonas bastante heterogénea en cuanto a estratificación, en la que difícil mente se cumplen algunas de la hipótesis que requiere la aplicación de la teoría de Terzaghi. El uso de la teoría con flujo tridimensional puede conducir a soluciones más razonables en algunos perfiles del suelo, pero sin invalidar la afirmación anterior en muchos casos. No existe un método de cálculo sencillo que tome en cuenta esta clase de problemas, por lo que la teoría debe aplicarse siempre acompañada de una buena dosis de criterio empírico, fundado en experiencia precedente.

El tiempo de asentamiento es naturalmente, aun más incierto. Como se ha señalado, su valuación puede ser de mucho interés practico, por las relaciones entre la evolución de los asentamientos de la estructura y de sus terraplenes de acceso, que fundamentan muchos criterios de decisión. Este es otro caso en que los resultados de cualquier cálculo deben ir acompañados de toda la experiencia de que pueda disponerse.

BIBLIOGRAFÍA:
Información: La ingeniería de suelos en las vías terrestres: carreteras, Volumen 2
Mecánica de suelos tomo II, teoría y aplicaciones de la mecánica de suelos, Juárez Badillo, Rico Rodríguez.

http://www.lalibreriadelau.com/catalog/product_toc.php/products_id/15734?sid=37c3a3542fd1a15c2bf00a2d408d157e

http://www.biblioteca.uson.mx/digital/tesis/docs/4182/Capitulo6.pdf