UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CIMENTACIONES Y ESTRUCTURAS SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS

CURSO:

ESTRUCTURAS Y CARGAS

DOCENTE:

Ing. Pinto Barrantes Raúl Antonio

CICLO:

IV

INTEGRANTES:

Chauca Vergara Karen Lisbeth

Chang Vilchez Antonio

Camizan Flores Marjorie

AÑO:

2015-2

Índice:

1. Introducción2. Marco Teórico:

2.1Ubicación de los suelos expansivos

2.2Propiedades físico químico de las arcillas expansivas

2.3Reconocimiento de las arcillas expansivas

2.4Causas y consecuencias de edificar sobre suelos expansivos.

2.5Estabilización de cimentaciones de obras

2.5.1Microplotes

2.5.2Pilotes

2.5.3Caisson

2.6 Estabilización de suelos

2.6.1Estabilización con cal

2.6.2Estabilización con cemento

2.6.3Incorporación de polímeros

2.7 Bases para el diseño de zapatas

2.8 norma E 0.50

2.8.1 Capitulo 5: Cimentaciones profundas

2.8.2 Capitulo 6: problemas especiales de cimentación

3. Conclusiones

INTRODUCCION:

Uno de los mayores problemas que puede tener un ingeniero al momento de diseñar la cimentación de una estructura, se produce cuando el terreno es de tipo arcilloso expansivo, puesto que esta genera daños en la estructura, desde grietas hasta el colapso de la misma, por lo cual no solo genera un costo grande en el reparo de estas sino también la pérdida de vidas humanas por lo cual se debe tener en cuenta algunas consideraciones adicionales antes de realizar la cimentación, que es parte indispensable de la futura estructura.

En la actualidad las construcciones han evolucionado de tal forma que se ha logrado dar solución a diferentes problemas especiales de cimentación, con lo cual se realizaron construcciones de estructuras para diversas funciones dentro del país. En este informe se detallara desde la composición interna desde estos suelos arcillosos que produce lo daños hasta alternativas de solución para las cimentaciones para la mejor calidad de las construcciones realizadas en las áreas existentes en nuestro país.

Ubicación de los suelos expansivos:

La ilustración I.6 indica que los suelos expansivos están confinados en regiones potencialmente semiáridas en zonas de clima tropical templado. Los suelos expansivos se presentan en abundancia donde la evapotranspiración excede la precipitación. De lo anterior se tiene la teoría de que en las zonas semiáridas la escasa lixiviación ha ayudado en la formación de la montmorilonita.

Existen muchos países en el mundo que tienen el problema de suelos expansivos, por ejemplo: Sudáfrica, México, Estados Unidos, Venezuela, Colombia, Costa Rica, Ecuador, Perú, Argentina, Brasil, Cuba, Angola, Mozambique, Kenia, Argelia, Marruecos, Ghana, Israel, Turquía, Irán, Irak, India, Australia, entre otros. En Europa, parece que el único que presenta este problema es España.

Ilustración I.7. Distribución de los Suelos Expansivos en el Mundo. (Modificado de G.W. Donaldson, 1969)

Potencialmente los suelos expansivos pueden encontrarse en casi cualquier lugar del mundo. En los países subdesarrollados, muchos de los problemas de suelos expansivos, no han sido reconocidos por lo que es de esperarse que se descubran más regiones de suelos expansivos con el aumento de la cantidad de construcciones cada año en dichos países.

Imagen I.1. Daños debido a las arcillas expansivas. África y Australia respectivamente. (Abajo

PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS:

I.- Identificación

Un Suelo Expansivo es un término generalmente empleado a cualquier suelo o material rocoso que tiene la capacidad de encogerse e hincharse bajo cambios en las condiciones de humedad.

La historia de los suelos expansivos comenzó hace millones de años en la eras del vulcanismo. La ceniza fue depositada en aguas poco profundas y formó una solidificación de arcilla rica en montmorilonita inestable, el principal mineral de las arcillas expansivas. También se debe a gran medida al proceso de edificación a lo largo del tiempo.

Ahora bien, los principales problemas a los que nos enfrentamos con estos suelos son las deformaciones que son más grandes que las deformaciones elásticas y éstas no pueden ser previstas por la elasticidad clásica o por la teoría de la plasticidad. Los movimientos provocados por los mismos tienen comúnmente un patrón irregular como para causar grandes daños a las estructuras y pavimentos que se apoyan sobre estos.

La mayor parte de los asentamientos humanos se encuentra sobre suelos expansivos, sin embargo, los suelos expansivos no causan problemas a menos que las estructuras que se construyen sobre ellos sean diseñadas inadecuadamente. En general, los suelos expansivos afectan principalmente a las cimentaciones, así como también a diferentes partes de la estructura provocando que la cimentación esté sometida a solicitaciones ajenas al diseño.

Estos daños los podemos observar a través de la aparición de grietas significativas muy a menudo en las esquinas de las ventanas y puertas, en los muros, en las losas de las cocheras inclusive pisos del interior de la casas, en las banquetas, y en las avenidas.

Por lo tanto, los principales factores que deben ser identificados en la caracterización de un sitio para una obra de ingeniería son:

Las propiedades de expansión o la expansión-contracción del suelo. Las condiciones ambientales y humanas que contribuyen a los cambios de humedad

del suelo.

I.A Zona Activa En las obras de ingeniería es indispensable el conocimiento de la zona activa,

cuando se desea construir en un sitio que revele la presencia de arcillas expansivas

observan con mucha claridad las grietas provocadas por la desecación. Los problemas de los suelos expansivos se generan como resultado del cambio de la humedad en los primeros metros de la capa superficial.

En el terreno virgen, deben investigarse las variaciones de humedad con la relación de la profundidad y respecto a las diferentes temporadas de año, además

del reconocimiento directo de la estratigrafía e las manifestaciones que en sistemas de grietas se generan por la influencia de los ciclos estacionales.

Es necesaria la identificación de la profundidad hasta la cual se tiene una influencia significativa de los periodos estacionales, sin ignorar los efectos posibles a causa del ascenso y descenso del nivel de aguas freáticas, sobre todo cuando este no es muy profundo. Así, lo que se determina es la capa de suelo sujeta a cambios de humedad que puedan ser significativos a cambios de volumen, en expansiones y contracciones, en tiempo de lluvia y en temporada de estiaje respectivamente.

De forma convencional, puede aceptarse que la profundidad de la zona activa corresponda aquella a la cual se tiene una variación de la humedad tal que resulte poco relevante respecto a los fines ingenieriles.

Ilustración I. 1 Perfiles de Humedad que define la zona activa del terreno virgen

I.B Factores de influencia en su comportamiento El mecanismo de expansión y reducción de arcillas expansivas es complejo además de que está influenciado por un sin número de factores. La expansión es un resultado de los cambios en el sistema de agua del suelo que alteran el equilibrio interno de esfuerzo. Las partículas de arcilla generalmente.

son placas con carga eléctrica negativa sobre su superficie y carga positiva en el eje. Las cargas negativas se encuentran en balance por cationes del agua del suelo, que llegan a ser atraídas a las superficies de las placas por las fuerzas eléctricas. El campo de fuerzas interparticulares eléctricas es una función de ambas, la carga negativa de la superficie y la electroquímica del agua del suelo.

Ilustración I.2. Las fuerzas electroestáticas provocan que el agua quede adherida a las moléculas de arcillas y aumente su volumen.

El sistema de fuerzas electroquímicas internas debe estar en equilibrio con el esfuerzo aplicado externo y con la tensión capilar en el agua del suelo. La tensión capilar es a menudo llamada matriz de succión. Si la química del agua del suelo está siendo afectada, ya sea por un cambio en la cantidad de agua o por la composición química, el campo cambiará también. Si el resultado del cambio en las fuerzas internas no está balanceado, entonces los espacios entre las partículas se modificarán con el fin de ajustar las fuerzas interparticulares hasta que el equilibrio sea alcanzado. Este cambio en los espacios de las partículas se manifiesta así mismo como expansión o contracción del suelo.

Algunos factores que influyen en el mecanismo de expansión también afectan, o son afectados por las propiedades físicas del suelo tales como la plasticidad o peso específico. Los factores que influyen en el potencial de expansión-contracción los podemos agrupar en tres diferentes grupos, esto son:

Las características del suelo que influyen básicamente en la naturaleza de las fuerzas del campo interno,

Los factores del medio que influencian los cambios que pueden ocurrir en el sistema de la fuerza del campo interno, y

El estado de esfuerzos.

Esquema I. 2 Representación de daños debido al suelo. Grietas en esquinas de ventanas.

I.B.1.2 Macroescala:

Los factores de macroescala son de cierta medida reflejo o resultado de los de microescala, es decir, de la naturaleza propia del suelo:

I.B.2 De acuerdo a las condiciones del entorno

Las condiciones del entorno, es decir, a las que está expuesto el suelo, pueden en gran medida contribuir a los cambios de contenido de humedad por lo que debe ser evaluado para medir el posible efecto en la aumento de volumen. Por ejemplo, la potencialidad de que el suelo pueda absorber o expulsar agua dependerá del contenido de la misma. Hay que mencionar que el contenido de humedad por sí sólo no es un buen indicador o pronosticador de la expansión y contracción de un suelo. En su lugar conociendo los límites de contenido de humedad tales como los limites plástico y el límite de contracción se puede saber si habrá o no expansión.

Las variaciones de la humedad en la zona activa de un perfil natural del suelo es afectado principalmente por ciclos climáticos. Las condiciones de humedad, por ejemplo, pueden variar drásticamente cuando se tiene una superficie libre y otra en la que se dispongan construcciones o infraestructura vial.

Otro ejemplo directo que causa la variación en la humedad resulta de la alteración del drenaje o por obras que aportan de manera indirecta agua al subsuelo, tales como la irrigación o debido a fugas en las tuberías. Estos últimos factores son difíciles de cuantificar pero pueden ser controlados por los medios posibles de acuerdo al caso. Por ejemplo, un sistema de drenaje apropiado y una atención a las áreas verdes son ideas sencillas para minimizar las fluctuaciones de humedad cerca de las construcciones.

La disponibilidad del agua en un suelo está influenciada por muchos factores que pueden ser tanto ambientales como humanos, estos factores están indicados en la tabla siguiente.

I.D. Perfil típico de suelos expansivos.

Los depósitos de suelo expansivo pueden variar desde materiales lacustres hasta los que aparentan ser rocas del tipo de lutita. Generalmente presentan consistencia de medianamente firme a firme, con capacidades de carga admisible superiores a 100kN/m2 (10 ton/m2), su peso específico suele ser que la mayoría de los suelos. De acuerdo al Sistema Unificado de Suelos (SUCS), la plasticidad de las arcillas expansivas les ubica, la mayoría de veces, en el grupo CH. No debe olvidarse que al tratarse de un suelo no saturado, al aumentar el contenido de agua de la arcilla, puede esperarse la pérdida de cohesión aparente. El intemperismo y la falta de confinamiento afectan a las paredes de las excavaciones o de los taludes, dando lugar al deterioro de la integridad masiva del depósito arcilloso, por el aumento del tamaño y presencia de grietas, provocado por la deshidratación. Las grietas a su vez pueden facilitar la penetración de agua en presencia de lluvia, favoreciendo la inestabilidad.

Ilustración I.9 Perfil Estratigráfico de un suelo arcilloso expansivo de Jurica, Querétaro (López, 1996)

ESTABILIZACION DE CIMENTACIONES EN OBRAS:

1. ACTUACIONES EN LA CIMENTACIÓN

Las soluciones para el recalce de la cimentación y que ésta vuelva a cumplir la función para la que fue construida, se basan en dos tipologías básicamente:

• Actuaciones directas sobre la cimentación de la obra

• Actuaciones de mejora del terreno sobre el cual se apoya la cimentación, o actuaciones en el entorno de la obra que eviten el cambio de las condiciones de humedad del terreno, o modifiquen la forma de trabajar de la cimentación.

2.1. ACTUACIONES DIRECTAS SOBRE LA CIMENTACIÓN DE LA OBRA

Aunque las técnicas pueden ser variadas, básicamente se reducen a:

Recalce con micropilotes. Jet grouting Pilotes caisson

MICROPILOTES

Un micropilote es un elemento resistente de cimentación profunda de diámetro inferior a 300 mm, perforados en el terreno y armados con tubería de acero inyectado con lechada o mortero de cemento en una o varias fases.

Existe una Guía editada por el

Ministerio de Fomento, “Guía para el

proyecto y ejecución de micropilotes

en obras de carretera”, que recoge

todos los aspectos de los mismos.

No obstante, haremos

sucintamente un breve recorrido

sobre ejecución y cálculo.

EJECUCIÓN DE LOS MICROPILOTES:

La ejecución de un micropilote comprende normalmente las siguientes operaciones:

• Perforación del taladro

• Colocación de la armadura

• Inyección del micropilote

• Conexión con la estructura

• Perforación

-A rotación:

Consiste en provocar la rotura del terreno por la fricción generada en la rotación del útil de perforación.

Se utiliza en terrenos blandos, mediante el uso de barrenas helicoidales, trialetas o triconos.

-A Rotopercusión:

Consiste en la trituración de los materiales por fricción y percusión conjunta. Se pueden utilizar martillo en cabeza (el golpe se realiza desde el exterior

mediante martillos percutores) o martillo de fondo (el golpe lo realiza el martillo puesto en la punta del varillaje de perforación accionado por aire comprimido).

Se utiliza para terrenos de consistencia media y dura.

-Sistemas Autoperforantes

Existe otro método de perforación que es utilizar la propia armadura del micropilote como varillaje de perforación, e inyectando posteriormente a través de los agujeros de barrido.

Este método no es muy recomendable puesto que no garantiza el recubrimiento de la armadura

INTRODUCCIÓN DE LA ARMADURA:

Materiales

• Armadura de acero tubular: Consiste en un tubo de acero cuyo límite elástico oscila entre 235 Mpa y 550 Mpa, y las medidas más usuales son las indicadas en la siguiente tabla.

Diámetro Espesor Secciónmm mm mm260.30 3.5 624.073 5.5 116088.9 6.3 163088.9 7 180088.9 9 2250101.6 9 2610114.3 7 2350114.3 9 2970127 9 3330127 13.5 4810139.7 9.5 3880139.7 12.50 4990177.8 10 5270

• Inyección del micropilote

Existen distintos tipos de inyección:

- IU: Son los ejecutados mediante una Inyección Global Unificada del taladro de la

perforación, de una lechada o un mortero de cemento.

- IR: Son los ejecutados mediante una Inyección Repetitiva de las válvulas anti retorno existentes en la armadura, inyectadas de forma global mediante obturador en boca.

- IRS: Son los realizados mediante una Inyección Repetitiva y Selectiva (IRS), del taladro de la perforación

Armaduras

CONEXIÓN DEL MICROPILOTE A UNA CIMENTACIÓN PREEXISTENTE

La unión entre el micropilote y la cimentación que se quiere recalzar se puede básicamente realizar mediante dos sistemas

• Conexión directa a la cimentación preexistente

• Conexión a un nuevo encepado que se conecta a su vez a la cimentación preexistente

Conexión directa

Este caso se refiere cuando la cimentación existente es atravesada por una perforación que es prolongación del micropilote, con lo cual la propia cimentación existente hace las veces de encepado.

Conviene observar las siguientes fases:

-Ejecutar un taladro pasante en le cimiento

-Ejecutar el micropilote

-Eliminar la lechada en la zona del cimiento y rellenar el espacio entre las dos superficies para garantizar el contacto.

Habrá que garantizar la transmisión de cargas entre las siguientes superficies

-Contacto entre mortero y cimiento preexistente

-Contacto entre armadura del micropilote y posibles conectores dispuestos y mortero que las rodea.

En el contacto entre armadura del micropilote y el mortero que las rodea, se puede adoptar un valor para la tensión rasante de cálculo de 0,3 Mpa para armadura lisa, y como este valor es muy bajo, se suele dotar a la armadura del micropilote de conectores (pletinas o barras corrugadas soldadas) al objeto de aumentar dicha adherencia.

No obstante se pueden considerar valores superiores cuando se utilicen morteros especiales (normalmente se utiliza mortero sin retracción de alta resistencia).

Si el canto de la zapata es pequeño y no se puede lograr la transmisión de esfuerzos, se puede acompañar la unión de actuaciones complementarias (placas de conexión atadas a la zapata con pernos inyectados con resina), o cualquier otro tipo de conexión.

Conexión directa a cimentación de hormigón en masa o mampostería

CONEXIÓN A UN NUEVO ENCEPADO

Esta conexión se produce cuando los micropilotes se conectan a un nuevo encepado de hormigón armado y éste se conecta a la cimentación existente, normalmente porque no es posible la transmisión de la carga directamente a la cimentación primitiva.

La conexión se efectúa mediante el tratamiento de la superficie del encepado existente para que resulte un contacto rugoso y además ambos cimientos deberán conectarse con conectores o pasadores metálicos.

A veces los micropilotes se utilizan a la par para recalzar fachadas o edificios y para la ejecución de sótanos.

Micropilotes utilizados para recalce de fachada y excavación de sótanos

Micropilotes utilizados en recalce de muro mediante encepado conectado a cimentación preexistente y para ejecutar sótanos bajo dicho muro.

VENTAJAS DE LA EJECUCIÓN DE RECALCES CON MICROPILOTES

Maquinaria pequeña

La ejecución de micropilotes puede realizarse con maquinaria de diverso tamaño y prestaciones, en función del espacio disponible para su realización. Así, mientras que la ejecución de micropilotes en campo abierto se puede realizar con la maquinaria habitual, es posible el empleo de maquinaria de dimensiones más reducidas, que se pueden introducir prácticamente en cualquier lugar.

Atraviesan cualquier tipo de fábrica

Utilizando el procedimiento de perforación adecuado, es posible perforar cualquier tipo de fábrica, teniendo en cuenta que posteriormente será necesaria la correcta conexión del micropilote con la zapata, siendo habitual el uso de morteros sin retracción o resinas.

Pueden inclinarse:

En estos, casos, se tendrán que tener en cuenta las direcciones de os esfuerzos para no crear flexiones inadmisibles en los micropilotes.

Gran capacidad portante.

No es necesaria la ejecución de perforaciones de gran diámetro para obtener una capacidad portante elevada

Gran versatilidad. Permite la ejecución de obras de carácter singular.

INCONVENIENTES DE LA UTILIZACIÓN DE MICROPILOTES EN RECALCES

Si bien el uso de micropilotes es el más extendido en la ejecución de recalces, su empleo conlleva una serie de inconvenientes que son los que se incluyen a continuación.

La utilización de agua durante la perforación, puede provocar el colapso de terrenos flojos o rellenos, que por otra parte, es lo que puede haber dado lugar a las necesidades de la ejecución de dicho recalce.

Puede emplearse aire en lugar de agua, pero conlleva una pérdida de eficacia en la perforación, que suele llevar finalmente, al empleo de una perforación combinada de agua y aire.

También puede producirse el colapso simplemente por el relleno de la perforación con lechada de cemento, por lo que en ocasiones se recurre al uso de micropilotes autoperforantes.

JET-GROUTING

El jet-grouting es un proceso que consiste en la desagregación del suelo (o roca poco compacta), mezclándolo, y parcialmente sustituyéndolo, por un agente cementante (normalmente cemento).

Conforma unas columnas pseudo-cilíndricas de suelo-cemento de diámetro entre 0,5 y 3 m con aditivos capaces de soportar tensiones de rotura de hasta 200 kg/cm2,

Se consigue la consolidación del terreno mediante inyección de lechada a alta presión (hasta 500 bares)

La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante

EJECUCIÓN DEL JET-GROUTING

Consta de dos únicas fases:

• Perforación hasta la cota final a la que se va realizar el jet-grouting.Se realiza con métodos convencionales (rotación o rotopercusión en función del tipo de terreno). El diámetro de la perforación es variable en función de la solución a realizar.

• Inyección del fluido y recuperación de la tubería simultáneamente.

En esta fase, se destruye la estructura y compacidad del suelo mediante un chorro de alta energía (fluido) que facilita la mezcla del mismo con una lechada de cemento, y que emerge por una tobera de diámetro pequeño, pero a gran velocidad. Las presiones son elevadas, entre 350 y 500 bar.

Para que el método funcione es necesaria la entubación de toda la perforación hasta la zona de tratamiento, para poder evacuar parte del material removido y parte de los fluidos de inyección y excavación.

Para el tratamiento se emplea un castillete capaz de desplazarse verticalmente y de hacer rotar a gran velocidad un monitor cilíndrico por cuyo interior transcurren los conductos que comunican con las toberas y por los que se hacen fluir los fluidos empleados.

El radio final de la columna de jet-grouting resultante, dependerá, no sólo de las variables de ejecución, sino, además, de las características geotécnicas del terreno.

JET-GROUTING EN LA EJECUCIÓN DE RECALCES

El uso de jet-grouting no ha tenido la repercusión en obras de recalce que ha tenido en otras áreas, ya que en prácticamente la única utilización del jet-grouting como elemento de recalce es la ejecución de columnas atravesando la propia obra de fábrica.

A eso se añaden otras desventajas determinantes que se explican a continuación

• La conexión se logra introduciendo barras o tubos por las columnas, pero en la mayoría de las ocasiones resulta más compleja, menos eficiente y menos versátil que en la utilización de micropilotes.

• La maquinaria utilizada es de gran envergadura (máquina., silos bombas de inyección, paneles de control), lo cual no permite en la mayoría de los casos su utilización. Además es necesario que los elementos a recalzar sean suficientemente rígidos para resistir las zonas debilitadas por la ejecución de las columnas

• Por otro lado, se pueden producir sobrepresiones de gran intensidad en el terreno como consecuencia del bloqueo de la salida del rechazo, entrando en presión una gran masa de inyección.

ACTUACIONES MEJORA DEL TERRENO O EN EL ENTORNO DE LA OBRA

Otra técnica de recalce es mejorar el terreno sobre el que se apoya la cimentación, consistente en realizar inyecciones en el terreno.

Dichas inyecciones pueden ser de:

-Lechada de cemento

-Mortero de cemento

-Otros productos químicos

Las inyecciones con lechada de cemento, suelen realizarse mediante el “método de inyecciones armadas”, consistente en la ejecución de un taladro, dotarlo de un tubo metálico de poco diámetro y espesor, dotado de válvulas de inyección antiretorno (I.R.S) e inyectar el terreno a través de los manguitos.

Tubo metálico con manguito para inyecciones armadas

De esta manera con la inyección bajo la cimentación, se logra mejorar el terreno por compactación por presión a la par que se arma el terreno con el tubo metálico y con las vetas de cemento.

En un primer momento se produce una reducción de volumen para pasar después a una consolidación del terreno que puede utilizarse para levantar las cimentaciones. Un método de aplicación de esta técnica son las “inyecciones de compensación” que consiste en la ejecución de taladros bajo una estructura y provocar en ella levantamientos controlados. Las inyecciones de mortero se utilizan para el relleno de oquedades y para la compactación del terreno, son inyecciones con morteros densos y a grandes presiones.

Por último, las inyecciones químicas de geles de sílice y otros productos se realizan con la técnica del tubo manguito de forma similar a las “inyecciones armadas” pero usando normalmente tubos de PVC.

Tubo de PVC con manguito para inyecciones químicas

Planta para inyecciones de consolidación

Otros trabajos que dan buen resultado en presencia de terrenos expansivos es evitar los cambios de humedad, por eso resulta muy conveniente la impermeabilización de las zonas adyacentes a las viviendas, y la ejecución de franjas drenantes alrededor de las mismas

ESTABILIZACIÓN DE OBRAS DE TIERRA (TERRAPLÉN).

En este invierno lluvioso en el que se han producido numerosos fenómenos de inestabilidad en obras lineales, principalmente en terraplenes, queremos hacer mención a los distintos métodos de consolidación de los mismos.

Igualmente se ha producido, en muchos terraplenes, un asiento no admisible para el uso de la infraestructura que genera trabajos de consolidación de los mismos.

Es notorio que un deslizamiento de ladera origina un movimiento en el terreno movilizado de distinta índole:

- Movimientos horizontales, debidos al desplazamiento del terreno en sentido del deslizamiento.

- Movimientos verticales (asientos), debidos al propio movimiento (primer orden) y a un asiento de segundo orden debido a la descompresión fruto del agrietamiento del mismo, que se prolongará en el tiempo a pesar de que el deslizamiento se encuentre estabilizado.

La corrección de estos deslizamientos se basa en establecer sistemas de contención bien al pié del terraplén, bien en la parte superior de la calzada tales como:

- Muros de escollera, gaviones, espaldones de terreno al pie de terraplén.

- Pantallas discontinuas de pilotes pudiendo completarse con contrafuertes o pantallas continuas de hormigón armado etc…

- Pantallas discontinuas de micropilotes

Estas pantallas pueden necesitar refuerzos mediante anclajes de barra o cable en función de los esfuerzos a absorber.

En aquellos deslizamientos en los que no se ha producido su ruina total (deslizado el material) y se hayan contenido, es necesario además corregir el asiento. Para ello es necesario un largo periodo de tiempo para que el terreno deje de asentar para que la plataforma sea plenamente operativa.

Este asiento depende fundamentalmente de:

- El grado de descompresión sufrida por el terreno.

- El espesor del mismo

- El tipo de material del núcleo de terraplén .

- El terreno sobre el que se apoya.

- La carga a la que esté sometido el terreno.

Así mismo, estos asientos se ven muy influenciados por la presencia de agua que acelera el proceso de consolidación y puede causar además el arrastre de finos con la consiguiente pérdida de material del terraplén y el incremento de los asientos.

Dado que este movimiento de segundo orden seguirá evolucionando hasta que la consolidación llegue a su fin, periodo que puede durar años, debemos actuar sobre dicho terraplén al objeto de evitar o, al menos, disminuir considerablemente, el asiento y el tiempo de consolidación y sustitución por un material debidamente compactado.

Habitualmente las actuaciones tendentes a lograr estos objetivos consisten en:

1. Excavación del terraplén o zona de terreno descomprimida, actuación que puede ser inviable porque la excavación del material descomprimido puede poner en riesgo la estabilidaa de la calzada no afectada por el deslizamiento provocando el corte total de la vía.

2. Ejecución de inyecciones de pequeño diámetro mediante:

a. Inyecciones de lechada o mortero.

b. Inyecciones con mortero de baja movilidad.

c. Inyecciones armadas con tubos manguito. Técnica IRS.

d. Jet Grouting.

Todas estas actuaciones son suficientemente conocidas y utilizadas.

Además de estas técnicas, hoy les propongo un nuevo método para corregir dichos asientos. Este método está basado en el aprovechamiento de los avances en la maquinaria de perforación de pilotes y en la gran calidad de los hormigones.

Básicamente se trata de “inyectar” el terraplén con hormigón, para ello se procede a perforar mediante pilotera de hélice continua (pilote CPI-8) una cuadrícula de pilotes (aproximadamente de 2x2 a 3x3) en diámetro F550, F650, F850, dependiendo del terreno y de longitud suficiente para atravesar la zona descomprimida y penetrar en el terreno competente la longitud necesaria para asegurar un buen funcionamiento, 4 a 8 diámetros, (las piloteras modernas de hélice continua pueden alcanzar profundidades de 25 a 28 metros o bien hasta que la pilotera dé rechazo) y proceder a hormigonar dichos taladro con hormigón fluido o líquido procurando darle una presión en la bomba de, al menos, 3-5 kg/cm2.

Esquema de perforación

Este procedimiento de ejecución de pilotes CPI-8 consiste en la perforación mediante barrena continua del taladro, el hormigonado a través del eje central de la barrena a la vez que se va retirando la misma, extrayendo el material y la posterior colocación de la armadura del pilote.

Posteriormente a la ejecución de la cuadrícula de pilotes conviene extender y compactar una capa de zahorra artificial de, al menos, 60 cms de espesor, separada de la coronación del núcleo de terraplén por un geotextil, que actuará como losa de reparto de cargas, para posteriormente extender la MBC correspondiente.La ejecución de estos pilotes comporta, evidentemente, una mejora del terreno descomprimido, por la compactación del mismo debido a la presión dada al bombeo del hormigón.Además la ejecución de un pilotaje atravesando una capa de terreno que está sometida aun proceso de consolidación (asentamiento), tiene su consecuencia en que, dado que estos pilotes asentarán menos que el suelo circundante, éste se

colgará del fuste del pilote generando un rozamiento de signo contrario al resistente (rozamiento negativo).

Consolidación mediante pilotes CPI-8

Este rozamiento negativo inducido supone que el pilote se ve sometido a unas cargas transmitidas al terreno competente donde se empotra el pilote y dicha capa no actuará sobre las capas inferiores descomprimidas, ni sobre la parte superior del terreno sobre el que se apoya el terraplén.

La carga generada sobre el pilote debido al rozamiento negativo se puede evaluar mediante la expresión:

Rn = 0,25 x p x D x L x (po +Σ(Li x gi)/2) x b

Dónde::

P = rozamiento negativo

D = diámetro del pilote

L = Longitud del pilote

po = sobrecarga

Li = espesor de las distintas capas de terreno

gi = densidad de las distintas capas de terreno

b = coeficiente que marca la parte del peso de la columna del terreno que rodea al pilote que se transmite al mismo.

Dependiendo de la esbeltez del pilote y de la separación.

ESBELTEZ L/ds/d 10 20 30 40 502.5 0,614 0,443 0,347 0,285 0,2413 0,696 0,534 0,433 0,364 0,3143.5 0,803 0,671 0,576 0,504 0,4494 0,864 0,761 0,680 0,604 0,5605 0,926 0,862 0,806 0,757 0,7147 0,962 0,927 0,895 0,864 0,836

Evidentemente el resto de la carga es la que se transmite a través del propio terreno.

Lógicamente a una menor carga le corresponde un menor asiento.

Además la inclusión de estos pilotes (pasadores) en la zona movilizada genera, debido al esfuerzo cortante que son capaces de soportar, una mejora del coeficiente de seguridad frente al deslizamiento, lo cuál nos permitirá reducir la contención necesaria para estabilizar el deslizamiento o llegar incluso a suprimirla y que los pasadores sean, a la vez, elementos que corrijan tanto los asientos (desplazamientos verticales) como los desplazamientos horizontales que se generan en los deslizamientos.

Los pilotes de barrena continua permiten además el armado de los mismos, con armaduras que alcanzan fácilmente los 24 metros de profundidad, con lo cual es esfuerzo cortante resistido por el pilote se puede ver incrementado considerablemente.

Por último podemos comentar que lo más ventajoso frente a otras técnicas es la rapidez de ejecución y su economía.

En pilotes de barrena continua en terrenos blandos y medios se obtienen rendimientos medios de 200-300 ml/día y, por tanto, es un pilote muy económico de ejecutar.

PILOTAJE:

Se pueden definir como una serie de pilares construidos o insertados dentro del terreno para trasmitir cargas de la estructura a nivel inferior del subsuelo. se suele emplear en casos de deficientes condiciones para cimentar en la superficie del terreno c cerca de ello , l que convierte en antieconómico el empleo de zapatas profundas tradicionales. La carencia de buenas condiciones de cimentación puede ser debida a:

1. baja capacidad del suelo portante del subsuelo natural

2. nivel alto de capa freática

3. existencia de estratos de subsuelo de alta compresibilidad (material de relleno)

4. subsuelo susceptible de sufrir movimientos debido a humedades o ruptura plástica.

CLASIFICACION DE PILOTES:

Los pilotes pueden ser clasificados atendiendo a su función básica de proyecto o al método usado en su construcción:

PILOTES DE SUSTITUCION:

A menudo reciben el nombre de pilotes perforados porque la evacuación de las tierras para formar el agujero, siempre se lleva a cabo mediante una técnica de sondeo o perforación.

Se usan principalmente en suelos cohesivos para formar pilotes de reforzamiento, así como también en recalces o al hacer pilotajes cerca de edificaciones existentes, ya que en estos casos el nivel de ruidos y/o vibraciones tolerable es limitado. Entre ellos:

Perforados por percusión. Perforados por inyección Perforados por rotación

PILOTES DE DESPLAZAMIENTO:

También conocidos como pilotes hinca por su forma de entrada , estos pueden estar preformados o parcialmente preformados, en uan gran variedad de tipos y materiales.

Tipos de pilotes de desplazamiento:

CAISSON

PREFORMADOS

Hormigon

Acero

De perfiles ligeros

De tubo

tipo "H"

De tornillo

Madera

MOLDEADOS (INSITU)

HINCADOS(INSITU)

PARCIALMENTE PRFORMADOS

ACERO Y HORMIGON

PREPARADO EN OBRA

HORMIMGON PREFRARICADO Y

HORMIGON PREPARADO EN

OBRA

Son elementos estructurales para cimentación de grandes obras, de gran longitud, pues pueden llegar a profundidades hasta de 25 metros.

Estos elementos se construyen cuando van a soportar mucho peso o cuando el terreno donde se va a construir tiene poca capacidad portante; puede decirse que con la construcción de los caissons se mejoran las condiciones estructurales del suelo que se va a utilizar.

Características:

Los caissons tiene gran similitud con los pilotes, que también son elementos estructurales de cimentación y que cumplen sus mismas funciones; la diferencia está en que los caissons son de mayor diámetro y casi siempre van construidos en el sitio.

Estos elementos son muy utilizados en la construcción de edificios tanto residenciales como comerciales o de uso público; también los podemos encontrar en los estribos de muchos puentes, cimentando o recibiendo grandes pilastras.

La preparación del cuerpo del caissons se hace en forma modular, por un sistema de anillos de 1 m de altura; en una sección cónica, necesaria en el proceso constructivo, ya que permite el fundido de cada modulo de forma independiente.

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS

ESTABILIZACION DE SUELOS

METODOS QUIMICOS

CAL

CEMENTO

POLIMEROS

METODOS FISICOS

COMPACTACION

ESTABILIZACION CON CAL GEOCELDA PARA ESTABILIZACION DE SUELOS

ESTABILIZACION CON CEMENTO

ESTABILIZACIÓN CON CAL

En la construcción de carreteras, el aprovechamiento de los suelos naturales de la traza puede presentar dificultades debido a:

El alto contenido de agua La presencia de arcilla en los mismos A la combinación de ambos elementos.

La importancia del contenido de agua es conocida por todos ya que, si es demasiado elevado, hace que la circulación de máquinas en obra sea difícil cuando no imposible y si es demasiado bajo la compactación resulta una operación difícil. Los materiales que tienen arcillas en su composición, son conocidos por sus mediocres propiedades geotécnicas que, además, varían según las condiciones climáticas.

La cal aporta una solución interesante a la vez de económica a estos problemas, ya que:

La aportación de cal permite secar los suelos excesivamente húmedos. Utilizándola en sus diferentes formas (viva, hidratada o en lechada), mejora y estabiliza

las características de los suelos arcillosos a corto y largo plazo.

Permite utilizar los suelos de la traza reduciendo o evitando el impacto ambiental debido a la extracción de otros suelos o al vertido de los procedentes de las excavaciones de la traza

ACCION DE LA CAL SOBRE LOS SUELOS ARCILLOSOS.

Los efectos de la cal sobre los suelos arcillosos pueden ser divididos en dos grupos principales:

Debido a reacciones rápidas (minutos/horas); es una estabilización por modificación. Provenientes de reacciones a largo plazo (semanas/meses); es una estabilización por

cementación

Como consecuencia de los anteriores efectos, la acción de la cal produce un notable incremento de la resistencia y rigidez del suelo que pierde plasticidad.

La permeabilidad del suelo, que inmediatamente después del tratamiento podría ser considerado como un árido maleable que va cementando progresivamente con el tiempo, aumenta considerablemente a corto plazo, pero progresivamente decrece a medida que van teniendo lugar las reacciones de cementación y, por tanto, se reduce la susceptibilidad al agua en gran manera, lo que es puesto en evidencia por la disminución Índice de Plasticidad y de la retracción e hinchamiento del suelo.

Acción de la cal sobre los límites de Atterberg

Acción de la cal sobre la arcilla

Reacciones Puzolanicas

2.6.2 ESTABILIZACIÓN CON CEMENTO

La estabilización de suelo con cemento, es la más utilizada en el mundo. Es muy sencilla de realizar y no se necesita equipo especial de construcción. El suelo-cemento consiste en mezclar suelo con cemento, y compactarlo en su contenido óptimo de humedad. La función del cemento es aglutinar el material y convertirlo en una masa endurecida de carácter estable. El agua hidrata el cemento y ayuda a obtener la máxima densidad lubricando los granos y partículas de suelo. Una vez que el suelo y el cemento han sido mezclados y compactado, inicia la acción del cemento la cual provoca el endurecimiento de la masa.

Al mezclar un suelo con cemento, se produce un nuevo material, duro, con mejores características que el usado como agregado. Esta estabilización no es tan sensible a la humedad como la hecha con asfalto. Pueden usarse todos los suelos para efectuarla, excepto los altamente orgánicos, aunque los más convenientes son los granulares, de fácil disgregado. Los limos, las arenas limosas y arcillas, todas las gravas y las arenas, son agregados adecuados

para producir la mezcla suelo-cemento, que tienen excelentes cualidades, que respecto a la de los suelos granulares son:

Tiene mayor módulo de elasticidad Es más impermeable. Es muy resistente a la erosión del agua En presencia de la humedad, en lugar de perder resistencia, la aumenta. Su resistencia aumenta con el tiempo.

La cantidad de cemento necesaria varía con el tipo de suelo, siendo menor si el suelo es poco arcilloso. El criterio de diseño de las mezclas suelo-cemento es para obtener un material de mayor resistencia. No sólo se debe pensar en disminuir plasticidad. La resistencia a la compresión, es uno de los parámetros primordial de análisis en la estructura de un pavimento, el cual se determina mediante la realización de probetas cilíndricas elaboradas con una energía de compactación determinada según sea la especificada y su respectiva humedad óptima. El procedimiento de construcción consta de las fases siguientes

Mezclado de cemento y suelo a estabilizar. Colocación de agua, hasta llegar a obtener la humedad optima dentro de la mezcla

suelo-cemento. Compactación Curado de unos 7 días.

2.6.3 INCORPORACIÓN DE POLÍMEROS

Comúnmente en carpetas asfálticas, dan mayor resistencia, impermeabilizan y prolongan la vida útil.

Actualmente los polímeros sintéticos tienen infinidad de usos en la industria, por lo que se hacen cada vez más importantes. Por ejemplo, el polietileno que se utiliza para fabricar una botella de plástico. Los polímeros sintéticos también se utilizan para el temple del acero, aluminio y algunos tipos de aceros especiales para usos militares. También han sido formalmente aceptados para usarse en el temple de materiales de la industria aeroespacial. Recientemente, en el área de la ingeniería de la construcción, se han producido los llamados

"productos geosintéticos", fabricados mediante polímeros, que son productos geotextiles y geomembranas que tienen cuatro funciones principales: separación, al evitar o minimizar la

mezcla de materiales de diferente granulometría; filtración y drenaje, al evitar la migración de partículas de suelo permitiendo el libre flujo de agua y gases; refuerzo, al soportar tensiones, estabilizar la masa del suelo y proteger geomembranas; e impermeabilización, al formar una barrera que impide el paso de fluidos y partículas de suelo. Los geoproductos se aplican a una amplia variedad de obras, como taludes y muros de tierra, terraplenes en suelos blandos, control de erosión, almacenamientos, cortinas de presas, canales, vías de comunicación, sistemas de filtración y drenaje, disposición de residuos, entre otros

El uso de estos materiales en la estabilización de suelos ha tenido por objeto principal, formar una estructura impermeable al agua; ciertas resinas sintéticas tales como las del sistema anilina y furfural de naturaleza orgánica aumentan la resistencia mecánica del suelo mejorando su cohesión. En algunos casos, la resistencia al esfuerzo cortante se reduce en tanto que la compactación se mejora en forma notable; es así como a estos materiales se les conoce más como "agentes que mejoran la compactación" que como estabilizantes. Un gran número de productos comerciales caen dentro de esta categoría y su efectividad es muy variable, dependiendo del tipo de suelo y los elementos constituyentes del aditivo

PROPIEDADES ÍNDICE DEL SUELO NATURAL Y DE LA MEZCLA SUELO-POLÍMERO.

El suelo natural presenta un límite líquido promedio de 89,7%. El suelo natural tratado con polímero a diferentes porcentajes presenta, desde el 4%, una considerable reducción del límite líquido en casi 50% y para mayores porcentajes (6, 8 y 10), tuvo muy poca variación.

Propiedades Índice en suelo natural y suelo polímero (valores promedio).

BASES PARA EL DISEÑO DE ZAPATAS

Supongamos un modelo de suelo constituido por un estrato arcilloso intercalado entre dos capas de suelos permeables, en el que vamos a estudiar los efectos producidos por una cimentación circular o cuadrada de dimensiones moderadas. Si suponemos que el suelo está estabilizado para las tensiones geo estáticas iniciales, debido a las cargas transmitidas por la cimentación se producen unos incrementos de tensiones , que provocan deformaciones y pueden llegar a romper el suelo.

Para estudiar la deformación del suelo hay que trabajar con los incrementos , y para estudiar el estado del suelo con relación a la rotura, con las tensiones finales

Para calcular las deformaciones verticales y horizontales y estudiar la resistencia del suelo hasta la rotura se utiliza el ensayo TRIAXIAL, en el que se parte de las tensiones a, y a3 que la muestra tiene en el terreno y se van incrementando con hasta la rotura.

CALCULO DE LOS ASIENTOS

Las deformaciones unitarias en un terreno que se considera elástico se calculan aplicando las expresiones de la teoría de la elasticidad a un medio homogéneo e isótropo denominado espacio de Boussinesq, en el que el coeficiente de elasticidad E, el módulo de Poisson v y el coeficiente de rigidez transversal G, son constantes.

Así en una cimentación cuadrada 6 circular que generara unos incrementos de tensiones (por simetría )se producirían las siguientes deformaciones

unitarias:

2.8 NORMA E 0.50

2.8.1 CAPITULO 5: CIMENTACIONES PROFUNDAS

Algunas de las condiciones que hacen que sea necesaria la utilización de cimentaciones profundas, se indican a continuación: a) Cuando el estrato o estratos superiores del suelo son altamente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la estructura. En estos casos se usan pilotes para transmitir la carga a la roca o a un estrato más resistente. b) Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, ya que las cimentaciones con pilotes tienen resistencia por flexión mientras soportan la carga vertical transmitida por la estructura. c) Cuando existen suelos expansivos, colapsables, licuables o suelos sujetos a erosión que impiden cimentar las obras por medio de cimentaciones superficiales. d) Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas en el mar, y losas de sótanos debajo del nivel freático, están sometidas a fuerzas de levantamiento. Algunas veces se usan pilotes para resistir

2.8.2 CAPITULO 6: PROBLEMAS ESPECIALES DE CIMENTACIÓN

SUELOS COLAPSABLES ATAQUE QUIMICO POR SUELOS Y AGUAS SUBTERRANEAS SUELOS EXPANSIVOS LICUACION DE SUELOS SOSTENIMIENTO DE EXCAVACIONES CALZADURAS DE CIMENTACIONES VECINAS PROCESOS CONSTRUCTIVOS DE CIMENTACIONES

SUELOS COLAPSABLES Son suelos que cambian violentamente de volumen por la acción combinada o individual de las siguientes acciones:

a) Al ser sometidos a un incremento de carga o

b) Al humedecerse o saturarse

CIMENTACIONES EN ÁREAS DE SUELOS COLAPSABLES.

Las cimentaciones construidas sobre suelos que colapsan (Ic > 6) están sometidas a grandes fuerzas causadas por el hundimiento violento del suelo, el cual provoca asentamiento, agrietamiento y ruptura, de la cimentación y de la estructura. Por lo tanto, no está permitido cimentar directamente sobre suelos colapsables. La cimentación y los pisos deberán apoyarse sobre suelos no colapsables. Los pisos no deberán apoyarse directamente sobre suelos colapsables.

REEMPLAZO DE UN SUELO COLAPSABLE

Cuando se encuentren suelos que presentan colapso moderado y a juicio del PR, poco profundos, éstos serán retirados en su totalidad antes de iniciar las obras de construcción y serán reemplazados por Rellenos Controlados compactados adecuadamente de acuerdo al numeral 4.4.1. Rellenos controlados o de ingeniería de la presente Norma.

ATAQUE QUÍMICO POR SUELOS Y AGUAS SUBTERRÁNEAS

ATAQUE ÁCIDO

En caso del pH sea menor a 4,0 el PR, deberá proponer medidas de protección adecuadas, para proteger el concreto del ataque ácido.

ATAQUE POR SULFATOS

La mayor parte de los procesos de destrucción del concreto causados por la formación de sales solubles son debidos a la acción agresiva de los sulfatos.

ATAQUE POR CLORUROS

Los fenómenos corrosivos del ión cloruro a las cimentaciones se restringe al ataque químico al acero de refuerzo del concreto armado.

SUELOS EXPANSIVOS

Son suelos cohesivos con bajo grado de saturación que aumentan de volumen al humedecerse o saturarse.

CIMENTACIONES EN ÁREAS DE SUELOS EXPANSIVOS.

Las cimentaciones construidas sobre arcillas expansivas están sometidas a grandes fuerzas causadas por la expansión, las cuales provocan levantamiento, agrietamiento y ruptura de la cimentación y de la estructura. Por lo tanto, no está permitido cimentar directamente sobre suelos expansivos. La cimentación deberá apoyarse sobre suelos no expansivos o con potencial de expansión bajo. Los pisos no deberán apoyarse directamente sobre suelos expansivos y deberá dejarse un espacio libre suficientemente holgado para permitir que el suelo bajo el piso se expanda y no lo afecte.

REEMPLAZO DE UN SUELO EXPANSIVO

Cuando se encuentren suelos medianamente expansivos y a juicio de PR, poco profundos, éstos serán retirados en su totalidad antes de iniciar las obras de construcción y serán reemplazados por Rellenos Controlados compactados adecuadamente de acuerdo al numeral 4.4.1. Rellenos controlados o de ingeniería de la presente Norma.

LICUACIÓN O LICUEFACCIÓN DE SUELOS

INVESTIGACIÓN DE CAMPO CUANDO LA HISTORIA SÍSMICA DEL LUGAR HAGA SOSPECHAR LA POSIBILIDAD DE OCURRENCIA DE LICUACIÓN

El programa de investigación de toda el área comprometida por la estructura se realizará de acuerdo a lo indicado en la Tabla 6 y con perforaciones hasta 15 m de profundidad como mínimo. Cuando en las Investigaciones Preliminares se encuentren las condiciones indicadas en el numeral

Deberá asumirse la probabilidad de ocurrencia del fenómeno de licuación.

En tal caso, el PR debe informar al Solicitante la necesidad de ampliar el Programa de Investigación para incluir el Análisis de Licuación.

ANÁLISIS DEL POTENCIAL DE LICUACIÓN

CIMENTACIONES EN ÁREAS DE SUELOS LICUABLES

Las cimentaciones construidas sobre suelos que licuan (PL>10%) están sometidas a grandes asentamientos, desplazamiento lateral y falla de la cimentación y de la estructura. Por lo tanto no está permitido cimentar directamente sobre suelos licuables.

PROCESOS CONSTRUCTIVOS DE CIMENTACIONES

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE OBRAS DE SOSTENIMIENTO

En el proyecto de las estructuras de sostenimiento el Contratista de las Obras deberá considerar los siguientes aspectos como mínimo:

-Los empujes del suelo.

- Las cargas de las edificaciones vecinas.

- Efecto de la variación de la humedad del suelo.

- Las sobrecargas dinámicas (sismos y vibraciones causadas artificialmente).

- La ejecución de accesos para la construcción.

- La posibilidad de realizar anclajes en los terrenos adyacentes (de ser aplicable).

- La disposición de los apoyos o puntales temporales (de ser requeridos). En el caso de las calzaduras el Contratista de la Obra no deberá permitir que éstas permanezcan sin soporte horizontal, por un tiempo tal que permita la aparición de fuerzas no previstas en el cálculo que puedan producir el colapso de la calzadura.

CONCLUSIONES:

Se puede concluir que cimentar sobre suelos expansivos es posible mediante un correcto análisis y estudio de suelos y la aplicación de los distintos métodos existentes y que el terreno requiera afrontando el mayor costo que estos necesitan para utilizarse.

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