Ingeniería de Suelos para Construcción: Propiedades, Excavación y Fundaciones

El Suelo como Material de Construcción

Las construcciones tienen un peso propio, una carga útil y una sobrecarga que transmiten sus cimientos al suelo o terreno de fundación, el cual debe ser capaz de resistir durante toda la vida útil del edificio. Por esta razón, es importante tener en cuenta la capacidad portante del suelo, su salinidad, la profundidad del agua, su constitución y la profundidad de la roca firme. Hace 50 años existe una especialización dentro de la ingeniería que se conoce como mecánica de suelos.

En zonas aisladas de las ciudades y, por lo tanto, de la construcción de otras obras, se pueden realizar algunos ensayos propios.

La tensión de rotura se obtiene dividiendo la carga “P” para provocar un hundimiento de 1 cm de las patas de la mesa. También se hace una perforación o excavación para extraer muestras de suelo y determinar los espesores o estratos de cada tipo de suelo.

La extracción de muestras se adapta según el suelo que se percibe visualmente. Los cambios en profundidad y la perforación dependerán de la importancia de una futura construcción. En suelos desmoronables y en presencia de agua, se requerirá de entubamiento, hincando un caño camisa de acero por golpes e introduciendo en ella la cuchara barreno hasta la perforación deseada; luego se extrae la camisa colocada.

Datos de Interés del Suelo

Para la construcción, interesa conocer la capacidad portante que permita dimensionar la fundación. Otro dato a tener en cuenta es la profundidad y variación de las napas freáticas, la salinidad del suelo y del agua, el tipo de suelo y su grado de compacidad. En este punto, debemos considerar la posibilidad de escurrimiento por una corriente de agua, otra posibilidad es el congelamiento y la degradación en el tiempo, así como la utilización o remoción del suelo.

Profundidad de Excavación para Reconocer un Terreno

Se admite que la distribución de presiones en profundidad sigue un diagrama, en el cual se detalla la influencia de la superficie de apoyo con líneas inclinadas a 45°. En suelos medianamente homogéneos, se recomienda excavar hasta una profundidad t=b (presión media).

Composición de los Suelos

1. Roca: Es el mejor suelo de fundación, especialmente las de origen volcánico como los basaltos y los granitos. Solo interesa en estos casos que la roca esté sana, sin fisuras. Si está sana, no requerirá de mucha profundidad la fundación, ya que no le afectará la edad.

Otras rocas como las calizas de origen sedimentario tienen menor capacidad portante, pero siguen siendo un excelente suelo de fundación.

Según el tipo de roca, podrá resistir entre 15 o 30 kg/cm² de carga a rotura.

2. Piedra Bóveda (o Canto Rodado): Son generalmente de origen aluvional, por lo que se les conoce como canto rodado de gran dureza. Su diámetro es superior a los 70 mm. Tiene una capacidad portante cercana a los 8 kg/cm².
3. Grava y Gravillas: Se consideran gravas a las piedras comprendidas entre 30 y 70 mm, y las gravillas las que están entre 7 y 30 mm. Cuando gravas y gravillas están mezcladas, dan lugar a un buen suelo de fundación, ya que se efectúa una especie de grava natural donde el espacio entre las piedras más grandes es ocupado por otras más chicas, dando lugar a un estabilizado natural.

Se considera una resistencia de hasta 4 kg/cm².

4. Arenas: Las arenas gruesas están comprendidas entre 7 y 3 mm. Es un suelo mediano en cuanto a resistencia, pudiendo llegar hasta los 2 kg/cm² de resistencia.
5. Arena Fina: Está por encima del milímetro hasta los 3 mm. Si se encuentra pura, sin limos y arcillas, es un mal suelo de formación, ya que los granos de cuarzo en presencia de agua fluidifican.
6. Limos: Se considera limo al que está por encima del tamiz 200 hasta el milímetro.
7. Arcillas: Son menores al tamiz 200.

Desde el punto 2 hasta el 5 son denominados áridos con piedra predominante en cuarzo. Son suelos sumamente permeables.

Las arcillas y los limos son ávidos (materiales que retienen el agua) y adquieren una consistencia plástica que los hace casi impermeables. La cohesión hace que estos suelos sean bastante estables, no se escurren, pero hay algunas arcillas, como los aluminatos, que aumentan mucho el volumen al retener agua entre sus poros, lo que modifica su composición laminar.

En general, todo el suelo arcilloso que presente en el laboratorio una retracción en el secado superior al 5% debe ser desechado como suelo de fundación.

El Suelo del Alto Valle

El suelo dominante en el Alto Valle es de tipo limo-arenoso de muy baja cohesión. Su origen es de sedimento eólico, originado por los vientos que erosionan la meseta. Su composición química es una mezcla de cuarzo y calcáreo de grado homogéneo con muy baja capacidad portante. Este sedimento, de espesores de entre 2 y 25 mm, se apoya sobre un estrato inferior de canto rodado con aglomerante calcáreo de origen marino, semejante al suelo firme que se ve en la barda.

Los aportes de agua de riego con drenajes inadecuados han ido generando la salinización de los suelos más bajos, siendo un condicionante muy importante para la construcción.

Mejoramiento de Suelos

Los condicionantes de estabilidad del suelo pueden cambiarse superficialmente agregando capas de suelo compactadas en espesores no mayores a 15 cm con suelos granulares de mejor composición que la preexistente.

Ps – P / Psi = %

Ps: Peso Seco

Psi: Peso Seco Inicial

%: Porcentaje de Humedad

Ps/V = ρ (Densidad)

V: Volumen

A mayor densidad de un suelo, mayor capacidad portante. Por lo tanto, una vez conocido el suelo, se tratará que el que sea usado para relleno tenga mayor densidad que el existente a fin de mejorarlo. Esto puede controlarse con los ensayos Proctor.

Con los datos de humedad que otorga el ensayo, se construye una curva que permite obtener la capacidad máxima y la humedad óptima.

Estas condiciones se tratan de reproducir en las obras, agregando la cantidad de agua que sea necesaria por cada capa para tratar de lograr un valor cercano a la humedad óptima.

Ensayo de Campo en Obra

que consiste en determinar la densidad del suelo ya compactado. Esto se hace mediante la extracción de una muestra de suelo con una pala de jardinería.

Se extrae una muestra de suelo y se guarda en bolsas herméticas. Luego se usa el cono de arena para medir el volumen de suelo extraído. Este es un recipiente graduado que contiene en su interior arena de grado homogéneo. Se coloca sobre el orificio, se abre el robinete y se llena. En el frasco se leerá directamente el volumen de arena que salió, al que se le restará el volumen de arena del cono; de esta manera, obtenemos el volumen de suelo.

El Ensayo Proctor

Un ensayo Proctor no da medida de la resistencia de un suelo, sino de su densidad y la humedad óptima. La humedad se encuentra directamente vinculada con la densidad, así como esta última con la resistencia; a mayor densidad de un suelo, mayor será su resistencia. Por lo tanto, si la resistencia es conocida, bastará luego con hacer un ensayo Proctor para verificar si la densidad está por encima del 95%.

Movimiento de Suelos

Tanto cuando hay que rellenar un terreno como cuando hay que rebajarlo, hay que hacer un estudio de los volúmenes de suelo a mover.

Cuando se rellena elevando el nivel de fundación, se llama terraplén; en cambio, cuando hay que excavar o mover suelo sobrante, se llama desmonte.

Planos Altimétricos

Se debe ubicar (calcular los volúmenes en m³) tanto el terraplén como el desmonte lo más exactamente posible, dividiendo la sección transversal en superficies de figuras regulares (generalmente rectángulos y trapecios) y multiplicando cada superficie de estas por el largo correspondiente según los planos altimétricos.

El suelo de terraplén será un suelo compactado y el de desmonte será asentado naturalmente. Sin embargo, el suelo removido que será trasladado tiene un volumen mayor. Los camiones de caja común transportan entre 6 y 7 m³ de suelos y las bateas o semirremolques entre 9 y 12 m³.

Excavaciones

Las excavaciones inferiores a 2 metros de profundidad pueden hacerse directamente con picos y palas en zanjeos no menores a 60 cm de ancho, ya que debe permitir el trabajo del operario. Esto siempre y cuando el suelo lo permita (no debe atravesar napas).

Los suelos poco firmes deben ser excavados con paredes inclinadas a 45° y, al superar los 2 metros de profundidad, se deberán hacer rellenos o banquinas.

Cuando se requiere un zanjeo con poco movimiento de suelo, se deberá apuntalar para evitar derrumbes.

Si en lugar de una zanja es una excavación más ancha (sótano, piscina, etc.), se puede trabajar con puntales o con tensores de la siguiente manera.

Excavaciones en Rampa

Cuando se trata de grandes excavaciones donde no se puede acceder desde afuera con una máquina o retroexcavadora, o bien cuando el volumen de suelo es muy grande, se deben construir rampas que avancen junto con la excavación para llegar al fondo de la misma, con palas mecánicas frontales o camiones.

Cuando se trata de grandes obras de ingeniería (diques, defensas, caminos, drenajes, etc.), el movimiento de suelos es lo más importante, y su buena planificación y balanceo de equipos dará como resultado el éxito o fracaso de la obra. Respecto al balanceo, nos referimos al uso de maquinarias específicas.

Cuando se necesite excavar y rellenar simultáneamente en pequeñas distancias (menores a 100 metros), puede convenir hacer el movimiento directamente con palas frontales. Para distancias intermedias, pueden convenir las palas de arrastre (traílla, mototraílla).

En última instancia, la cantidad y tipos de máquinas a utilizar dependerán de un estudio técnico y económico.

Cuando se construye una rampa para acceder a una excavación, no debe quedar luego y formar parte de la construcción, por lo que será eliminada mediante el uso de una retroexcavadora.

Excavaciones en Terrenos con Agua

Cuando los suelos están saturados, la estabilidad es muy precaria. Por lo tanto, en terrenos blandos deberán usarse tablestacas, que además de contener el suelo, impiden el paso de agua. Las tablestacas pueden ser de madera o chapa reforzada y se hincan por golpes 1/3 de su longitud. Para proceder a su excavación, se irán enterrando a medida que avanza la obra.

El agua debe extraerse permanentemente mientras dure la excavación. En pequeñas obras, podrá hacerse con balde y en otras obras será necesario hacerlo con bombas centrífugas.

En grandes excavaciones en suelos permeables de tipo granular, la opción más conveniente y segura es deprimir las napas mediante perforaciones y bombeo continuo.

Si el agua tiene una dirección de escurrimiento subterránea conocida, la perforación debe hacerse aguas arriba (desde donde viene el agua de la excavación). Si la napa no tiene movimiento, puede que se necesite más de una excavación en ambos extremos de la obra.

Si la excavación tiene un gran desarrollo longitudinal, las perforaciones deben hacerse en conjunto con el avance de obra de manera conveniente para aminorar costos. Si quisiéramos perforar la zanja en una sola instancia, probablemente habría que hacerlo más de una vez en el proceso de obra.

Excavaciones Bajo Agua o en Terrenos Poco Firmes

Cuando se necesita excavar en terrenos poco firmes donde no se puede acceder con maquinaria al fondo de la excavación, se usan dragas con dos tipos de cuchara: una cuchara quebrada y otra cuchara de almeja.

Submuración en Pared Medianera

Cuando necesitamos excavar junto a una medianera construida, por ejemplo, para realizar un sótano, no podemos llegar hasta la pared misma, sino que debemos dejar una banquina o revancha de no menos de 1 metro para que no se descalce el edificio o construcción resistente. Luego se avanzará por tramos cortos en forma manual debajo de la construcción; simultáneamente, haremos el nuevo cimiento y, consigo, la pared de submuración. De esta manera, se irá avanzando hasta completar la obra por tramos.

Suelos de Fundación

Las fundaciones se dividen en dos grandes grupos: las fundaciones directas o superficiales, que no superan el metro de profundidad, y las indirectas o profundas, que se hacen a mayor profundidad buscando un estrato de suelo de mayor capacidad portante.

Para obras pequeñas, la fundación directa es una solución casi obligada por las condiciones económicas que obligan a amortiguar costos en la fundación de la construcción.

Tenemos distintos tipos de fundaciones directas; la más común en nuestra zona es la zapata, ya sea bajo columnas o muros portantes.

Las zapatas sobre las que pueden apoyar muros portantes o columnas inferiores de una estructura independiente tienen distintas variantes: pueden ser excéntricas, centradas, de sección constante o variable.

La viga rigidizante cumple la función de uniformar las cargas que se transmiten al suelo, evitando asentamientos diferenciales. En el caso de muros portantes, esta viga es constructiva y no se calcula; se hará del ancho de la pared y de 35 a 55 cm de altura con hierro del 8 en sus vértices y estribos del 6 cada 20 cm. Cuando esta viga recibe la carga de columna, debe ser calculada con doblados y estribos de corte.

Las parrillas de distribución de cargas siempre deben ser calculadas.

Las bases aisladas pueden considerarse como un caso particular de zapata en que las columnas están alejadas unas de otras, por lo tanto, no justifica una estructura continua. Pueden ser centradas, excéntricas o doblemente excéntricas según los límites del terreno. Se calculan con la carga que se transmite de cada columna a la flexión en sus dos direcciones, usando la tensión del terreno como carga invertida para la flexión.

Cuando dos zapatas son muy amplias y llegan a tocarse o superponerse, lo que conviene estructuralmente realizar es una platea, que no es más que una losa invertida.

Superficies de Apoyo de Fundación

Cualquiera sea el tipo de fundación directa elegida, la superficie de fundación debe calcularse considerando todas las cargas que se acumulan desde el techo hasta la base dividido por la tensión admisible del terreno.

Distinguiremos dos casos:
1. Construcciones compactas con simetría de carga: en este caso, se asume que la carga se distribuye uniformemente en el terreno, por lo tanto, bastará con calcular con la carga total del edificio y obtener una superficie única, la que dividiremos en el perímetro según los ejes del muro y así obtendremos el ancho de la zapata o cimiento.

Si en un sector del edificio hay un muro o tabique en planta baja que no transmite directamente la carga del edificio sino que transmite una carga propia, se hará un cálculo particular y se calcularán dichas zapatas en forma individual.

2. Edificios con diseño complejo, extendido o con asimetría de cargas: en estos casos, las cargas deben analizarse por muros o por columnas en forma independiente. Se calcularán superficies de apoyo para cada muro o columna que se darán a lo largo y ancho de la fundación.

En caso de construcciones de estructuras de cargas asimétricas, se divide a la estructura en fajas que abarcan las estructuras que incidirán sobre cada zapata o cimiento; de este modo, surgirán zapatas de anchos distintos para que en ninguna de ellas se supere la tensión admisible que se calculará por separado.

Fundaciones Indirectas

1. Pozos Romanos o Bases Profundas:

   Cuando el suelo firme se encuentra a cierta profundidad pero todavía es accesible, puede convenir excavar pozos de cierto ancho que permita trabajar a una persona y luego construir pilares o columnas hasta la superficie que luego serán unidas con vigas o arcos.

Estas fundaciones requieren grandes volúmenes de hormigón con mampostería, por lo que también pueden hacerse zapatas aisladas de hormigón, prolongando hasta la superficie con columnas de hormigón armado para luego llenar el resto del pozo con suelo granular o piedra, y así unir los capiteles de las columnas con vigas de hormigón armado capaces de soportar una construcción superior. Esto suele utilizarse en la zona sur costera debido a la existencia de una capa superficial de una arcilla expansiva, la misma debe ser evitada en todos los casos al momento de construir.

Estos pozos que atraviesan terrenos poco firmes a veces deben apuntalarse, como ya lo hemos visto; eso implica encofrados y tablestacas. Por esa razón, deben usarse cajones de hormigón armado cilíndricos o prismáticos con un borde metálico, de modo que estén apoyados sobre el suelo y, excavando en su interior, bajen por su propio peso.