Métodos de Exploración del Subsuelo. Exploración del subsuelo es el proceso de identificar los estratos de depósito que subyacen a una estructura propuesta y sus características físicas y el propósito es obtener información para: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Seleccionar el tipo y profundidad de una cimentación adecuada para una estructura dada. Evaluar la capacidad de carga de una cimentación. Estimar el asentamiento probable de una estructura. Determinar problemas potenciales de la cimentación (por ejemplo suelo expansivo, suelo colapsable, relleno sanitario etc...) Determinar la posición del nivel del agua. Predecir la presión lateral de tierra en estructura tales como muero de contención, tabla estacas y cortes apuntalados. Establecer métodos de construcción para condiciones cambiantes del subsuelo.
La exploraciones del subsuelo es necesaria también para construcciones y excavaciones en el subsuelo y puede ser requerida cuando se contemplan adiciones o alteraciones de estructuras existentes. Programa de Exploración del Subsuelo. La exploración del subsuelo comprende varios pasos, incluidas la recolección de información preliminar, el reconocimiento y la investigación del sitio. Recolección de la información preliminar: Debe obtenerse información relativa al tipo de estructura por construirse y acerca de uso general. Para la construcción de edificios, se deben conocer las cargas aproximadas en columnas y espaciamiento, el código de construcción local y requisitos de los sótanos. La construcción de puentes requiere la determinación de la longitud del claro y las cargas sobre estribos y pilas. Reconocimiento: El ingeniero debe siempre efectuar una inspección visual de sitio para obtener información de las siguientes características: 1.
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
La topografía general del sitio y la posible existencias de zanjas de drenaje, tiraderos abandonados o basura, u otros materiales. También, la evidencia de escurrimiento plástico en taludes y gritas profundas y anchas de contracción a intervalos espaciados regularmente es indicativos de suelos expansivos. La estratificación de suelos en cortes profundos como los hechos para la construcción de carreteras y vías férreas cercanas El tipo de vegetación en el sitio que indica la naturaleza del suelo. Marcas altas de agua en edificios y estribos de puentes cercanos. Niveles del agua freática, que se determinan por revisión de pozos cercanos. Tipos de construcción cercana y existencia de grietas en muros u otros problemas La naturaleza de la estratificación de propiedades físicas del suelo cercano también se obtienen de reportes disponibles de exploración del subsuelo para estructuras existentes cercanas. Investigación del sitio
La fase de investigación del sitio del programa de exploración consiste en : 1. 2. 3. 4.
Planear Hacer barrenos de prueba Recolectar muestras de suelo a intervalos deseados para observaciones y pruebas de laboratorio subsecuentes. La profundidad mínima aproximada requerida de los barrenos debe predeterminarse; sin embargo, la profundidad puede cambiarse durante la operación de perforado, dependiendo del subsuelo encontrado para determinar la profundidad minima de barrenado para cimentaciones, los ingenieros usan las reglas establecidas: Determine el incremento neto de esfuerzo Estime la variación del esfuerzo vertical efectivo Determine la profundidad Al menos que se encuentre un lecho rocoso, se tomara la menor de las dos profundidades.
Métodos de exploración del subsuelo Los tipos principales de sondeos que se usan en Mecánica de Suelos para fines de muestreo y conocimiento del subsuelo, en general son los siguientes:
Métodos de exploración de carácter preliminar Métodos de Sondeo definitivo Métodos geofísicos Métodos de exploración de carácter preliminar Pozos de cielo abierto con muestreo alterado o inalterado Perforaciones con posteadora, métodos, barrenos helicoidales o métodos similares. Metodos de lavado Métodos de penetración estándar Metodos de penetración conica Perforaciones y boleos en gravas Pozos a cielo abierto o calicatas: Cuando este método sea practicable debe considerársele como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo, ya que consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para que un técnico pueda directamente bajar y examinar los diferentes estratos de suelo en su estado natural, así como darse cuenta de las condiciones precisas referentes al agua contenida en el suelo. Desgraciadamente este tipo de excavación no puede llevarse a grandes profundidades a causa, sobre todo, de la dificultad de controlar el flujo de agua bajo el nivel freático; naturalmente que el tipo de suelo de los diferentes estratos atravesados también influye grandemente en los alcances del método en sí. Deben cuidarse especialmente los criterios para distinguir la naturaleza del suelo "in situ" y la misma, modificada por la excavación realizada. En efecto, una arcilla dura puede, con el tiempo, aparecer como suave y esponjosa a causa del flujo de agua hacia la trinchera de excavación; análogamente, una arena compacta puede presentarse como semifluida y suelta por el mismo motivo. Se recomienda que siempre que se haga un pozo a cielo abierto se lleve un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavación, hecho por un técnico conocedor. Perforación con barreno:: Es el método más simple para efectuar sondeos de exploración. Existen dos tipos de barrenas manuales: Agujeros para postes: * Helicoidal. Las barrenas manuales no se usan para excavaciones a mas de 3 a 5 metros; sin embargo, se usan para trabajos de exploración de suelos en algunas carreteras y estructuras pequeñas y existen las barrenas helicoidales eléctricas portátiles (30 a 75mm de diámetro), adecuada para perforaciones mas profundas. Las muestras de suelos obtenidas en tales perforaciones son sumamente alteradas. Muestras obtenidas por taladros helicoidales y de tipo balde. Generalmente los taladros helicoidales son empleados en suelos con material cohesivo y con un elevado contenido de humedad. Los suelos con estas características se adhieren a las paredes del taladro de donde son extraídos por el operario. Los taladros con muestra tipo balde, son muy empleados en la actualidad, puesto que permite obtener grandes muestra en profundidades que alcanzan unos 60 metros. Muestras lavadas: Para este método se emplean equipos de perforación normalizados que mediante agua a presión se va lavando el material del suelo a medida que se introduce la tubería de perforación. Por el color y textura de los materiales se puede determinar el tipo de suelo que estamos perforando, la variación en el color y textura también permite saber el espesor de la capa del suelo.
El equipo necesario para realizar la perforación incluye un trípode con polea y martinete suspendido, de 80 a 150 Kg de peso, cuya función es hincar en el suelo a golpes el ademe necesario para la operación. Este ademe debe ser de mayor diámetro que la tubería que vaya a usarse para la inyección del agua. En el extremo inferior de la tubería de inyección debe ir un trépano de acero, perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se impulsa dentro de la tubería por medio de una bomba. La operación consiste en inyectar agua en la perforación, una vez hincado el ademe, la cual forma una suspensión con el suelo en el fondo del pozo y sale al exterior a través del espacio comprendido entre el ademe y la tubería de inyección; una vez fuera es recogida en un recipiente en el cual se puede analizar el sedimento. El procedimiento debe ir complementado en todos los casos por un muestreo con una cuchara del trépano; mientras las características del suelo no cambien será suficiente obtener una muestra cada 1,50 m aproximadamente, pero al notar un cambio en el agua eyectada debe procederse de inmediato a un nuevo muestreo. Al detener las operaciones para un muestreo debe permitirse que el agua alcance en el pozo un nivel de equilibrio, que corresponde al nivel freático (que debe registrarse). Cualquier alteración de dicho nivel que sea observada en los diferentes muestreos debe reportarse especialmente Método de penetración estándar: Este procedimiento es, entre todos los exploratorios preliminares, quizá el que rinde mejores resultados en la práctica y proporciona más útil información en torno al subsuelo y no sólo en lo referente a descripción. En suelos puramente friccionantes la prueba permite conocer la compacidad de los mantos que es la característica fundamental respecto a su comportamiento mecánico. En suelos plásticos la prueba permite adquirir una idea, si bien tosca, de la resistencia a la compresión simple. Además el método lleva implícito un muestreo, que proporciona muestras alteradas representativas del suelo en estudio. El equipo necesario para aplicar el procedimiento consta de un muestreador especial de dimensiones establecidas (Fig. 5.7). Es normal que el penetrómetro sea de media caña, para facilitar la extracción de la muestra. La utilidad e importancia mayor de la prueba de penetración estándar radica en las correlaciones realizadas en el campo y en el laboratorio en diversos suelos, sobre todo arenas, que permiten relacionar aproximadamente la compacidad, el ángulo de fricción interna en arenas y el valor de la resistencia a la compresión simple en arcillas, con el número de golpes necesarios en ese suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los 30 cm especificados. Método de penetración cónica: Estos métodos consisten en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece. Existen diversos tipos de conos. Dependiendo del procedimiento para hincar los conos en el terreno, estos métodos se dividen en estáticos y dinámicos. Penetrómetros. Se conocen dos tipos de Penetró metros que son: los dinámicos y los estáticos. Penetrómetros dinámicos: Son barras que tienen, generalmente extremos de forma cónica de 45 a 60 grados. Estas barras son hincadas en el suelo por medio de golpes, el número de golpes, varia de acuerdo al tipo de suelo y a la profundidad en la que se encuentra el mismo. Este penetró metro es golpeado con una masa conocida y la penetración será leída para un determinado número de golpes. Penetrómetros estático:. Consiste en barras con los extremos cónicos que se introducen a presión en el subsuelo. Los más utilizados son los conos que se introduce de 20 a 40 cm / min. Aplicando una presión constante. La profundidad de penetración no es medida para cada incremento de carga. Perforaciones en boleos y gravas: Con frecuencia es necesario atravesar durante las perforaciones estratos de boleos o gravas que presentan grandes dificultades para ser perforados con las herramientas hasta aquí descritas. En estos casos se hace necesario el empleo de herramientas de mayor peso, del tipo de barretones con taladros de acero duro, que se suspenden y dejan caer sobre el estrato en cuestión, manejándolos con cables. En ocasiones se ha recurrido, inclusive, al uso localizado de explosivos para romper la resistencia de un obstáculo que aparezca en el sondeo. Métodos de Sondeo definitivo
* Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado * Métodos con tubo de pared delgada Métodos rotarios para rocas Se incluyen aquí los métodos de muestreo que tienen por objeto rendir muestras inalteradas en suelos, apropiadas para pruebas de compresibilidad y resistencia y muestras de roca, que no pueden obtenerse por los métodos mencionados hasta este momento. En ocasiones, cuando estas muestras no se requieran, los procedimientos estudiados en la sección anterior, especialmente los que rinden muestras representativas, pueden llegar a considerarse como definitivos, en el sentido de no ser necesaria exploración posterior para recabar las características del suelo; sin embargo, cuando la clasificación del suelo permita pensar en la posibilidad de la existencia de problemas referentes a asentamientos o a falta de la adecuada resistencia al esfuerzo cortante en los suelos, se hará necesario recurrir a los métodos que ahora se exponen. Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado Este método de exploración puede considerarse el mejor de todos los métodos de exploración a disposición del ingeniero para obtener muestras inalteradas y datos adicionales que permitan un mejor proyecto y construcción de una obra. Muestreo con tubos de pared delgada Desde luego de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como inalterada. En efecto, siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterará las, condiciones de esfuerzo en su vecindad; además, una vez la muestra dentro del muestreador no se ha encontrado hasta hoy y es dudoso que jamás llegue a encontrarse, un método que proporcione a la muestra, sobre todo en sus caras superior e inferior los mismos esfuerzos que tenía “in situ”. Se debe a M. J. Hvorsiev5 un estudio exhaustivo moderno que condujo a procedimientos de muestreo con tubos de pared delgada que, por lo menos en suelos cohesivos, se usan actualmente en forma prácticamente única. Muestreadores de tal tipo existen en muchos modelos y es frecuente que cada institución especializada desarrolle el suyo propio. El grado de perturbación que produce el muestreador depende principalmente, según el propio Hvorsiev puso de manifiesto, del procedimiento usado para su hincado; las experiencias han comprobado que si se desea un grado de alteración mínimo aceptable, ese hincado debe efectuarse ejerciendo presión continuada y nunca a golpes ni con algún otro método dinámico. Hincado el tubo a presión, a velocidad constante y para un cierto diámetro de tubo, el grado de alteración parece depender esencialmente de la llamada “relación de áreas”. Donde De es el diámetro exterior del tubo y Di el interior. La expresión anterior equivale a la relación entre el área de la corona sólida del tubo y el área exterior del mismo. Dicha relación no debe ser mayor de 10% en muestreadores de 5 cm (2 pulgadas) de diámetro interior, hoy de escaso uso por requerirse en general muestras de mayor diámetro y, aunque en muestreadores de mayor diámetro pueden admitirse valores algo mayores, no existen motivos prácticos que impidan satisfacer fácilmente el primer valor. Métodos rotatorios para roca Cuando un sondeo alcanza una capa de roca más o menos firme o cuando en el curso de la perforación las herramientas hasta aquí descritas tropiezan con un bloque grande de naturaleza rocosa, no es posible lograr penetración con los métodos estudiados y ha de recurrirse a un procedimiento diferente. En realidad, se mencionó que capas de boleo o grava pueden ser atravesadas con barretones o herramientas pesadas similares, manejadas a percusión. Pero estos métodos no suelen dar un resultado conveniente en roca más o menos sana y además tienen el inconveniente básico de no proporcionar muestras de los materiales explorados. Cuando un gran bloque o un estrato rocoso aparezcan en la perforación se hace indispensable recurrir al empleo de máquinas perforadoras a rotación, con broca de diamantes o del tipo cáliz. Métodos geofísicos: Se tratan ahora métodos geofísicos de exploración de suelos, desarrollados principalmente con el propósito de determinar las variaciones en las características físicas de los diferentes estratos del subsuelo o los contornos de la roca basal que subyace a depósitos sedimentarios. Los métodos son rápidos y expeditos y permiten tratar grandes áreas, pero nunca proporcionan suficiente información para fundar criterios definitivos de proyecto, en lo que a la
Mecánica de Suelos se refiere. En el caso de estudios para fines de cimentación no se puede considerar que los métodos geofísicos sean adecuados, pues no rinden una información de detalle comparable con la que puede adquirirse de un buen programa de exploración convencional. * Sísmico * De resistencia eléctrica * Magnético y Gravitatorio Método sísmico Este procedimiento se funda en la diferente velocidad de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes medios materiales. Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer que esa velocidad de propagación varía entre 150 y 2,500 m/seg en suelos, correspondiendo los valores mayores a mantos de grava muy compactos y las menores a arenas sueltas; los suelos arcillosos tienen valores medios, mayores para las arcillas duras y menores para las suaves. En roca sana los valores fluctúan entre 2,000 y 8,000 m/seg. Como término de comparación se menciona el hecho de que en el agua la velocidad de propagación de este tipo de onda es del orden de 1,400 m/seg. Esencialmente el método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar usando una pequeña carga de explosivo, usualmente nitroamonio. Por la zona a explorar se sitúan registradores de ondas (geófonos), separados entre sí de 15 a 30 m. La función de los geófonos es captar la vibración, que se transmite amplificada a un oscilógrafo central que marca varias líneas, una para cada geófono. Método de resistividad eléctrica Este método se basa en el hecho de que los suelos, dependiendo de su naturaleza, presentan una mayor o menor resistividad eléctrica cuando una corriente es inducida a su través. Su principal aplicación está en el campo de la minería, pero en Mecánica de Suelos se ha aplicado para determinar la presencia de estratos de roca en el subsuelo. La resistividad eléctrica de una zona de suelo puede medirse colocando cuatro electrodos igualmente espaciados en la superficie y alineados; los dos exteriores, conectados en serie a una batería son los electrodos de corriente (medida por un miliamperímetro), en tanto que los interiores se denominan de potencial y están conectados a un potenciómetro que mide la diferencia de potencial de la corriente circulante. Los electrodos de corriente son simples varillas metálicas, con punta afilada, mientras que los de potencial son recipientes porosos llenos de una solución de sulfato de cobre, que al filtrarse al suelo, garantiza un buen contacto eléctrico. El método sirve, en primer lugar, para medir las resistividades a diferentes profundidades, en un mismo lugar y, en segundo, para medir la resistividad a una misma profundidad, a lo largo de un perfil. Métodos magnéticos y gravimétricos. El trabajo de campo correspondiente a estos métodos de exploración es similar, distinguiéndose en el aparato usado. En el método magnético se usa un magnetómetro, que mide la componente vertical del campo magnético terrestre en la zona considerada, en varias estaciones próximas entre sí. En los métodos gravimétricos se mide la aceleración del campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar. Valores de dicha aceleración ligeramente más altos que el normal de la zona indicarán la presencia de masas duras de roca; lo contrario será índice de la presencia de masas ligeras o cavernas y oquedades. En general estos métodos casi no han sido usados con fines ingenieriles, dentro del campo de la Mecánica de Suelos, debido a lo errático de su información y a la difícil interpretación de sus resultados.
NOTACIÓN 1.CONSIDERACIONES GENERALES 1.1 Alcance: Las presentes Normas no son un manual de diseño y por tanto no son exhaustivas. Sólo tienen por objeto fijar criterios y métodos de diseño y construcción de cimentaciones que permitan cumplir los requisitos mínimos
1.2 Unidades: se usará un sistema de unidades coherente, de preferencia el Sistema Internacional (SI). Sin embargo, en este último caso, respetando la práctica común en mecánica de suelos en México, será aceptable usar como unidad de fuerza la tonelada métrica, que se considerará equivalente a 10 kN. 2. INVESTIGACIÓN DEL SUBSUELO 2.1 Investigación de las colindancias: Deberán investigarse el tipo y las condiciones de cimentación de las construcciones colindantes en materia de estabilidad, hundimientos, emersiones, agrietamientos del suelo y desplomes, y tomarse en cuenta en el diseño y construcción de la cimentación en proyecto. Asimismo, la localización y las características de las obras subterráneas cercanas, existentes o proyectadas, pertenecientes a la red de transporte colectivo, de drenaje y de otros servicios públicos, con objeto de verificar que la construcción no cause daños a tales instalaciones ni sea afectada por ellas. 2.2 Reconocimiento del sitio: el Distrito Federal se divide en tres zonas con las siguientes características generales: a) Zona I. Lomas, formadas por rocas o suelos generalmente firmes que fueron depositados fuera del ambiente lacustre, pero en los que pueden existir, superficialmente o intercalados, depósitos arenosos en estado suelto o cohesivos relativamente blandos. En esta zona, es frecuente la presencia de oquedades en rocas, de cavernas y túneles excavados en suelos para explotar minas de arena y de rellenos no controlados; b) Zona II. Transición, en la que los depósitos profundos se encuentran a 20 m de profundidad, o menos, y que está constituida predominantemente por estratos arenosos y limo arenosos intercalados con capas de arcilla lacustre; el espesor de éstas es variable entre decenas de centímetros y pocos metros; y c) Zona III. Lacustre, integrada por potentes depósitos de arcilla altamente compresibles, separados por capas arenosas con contenido diverso de limo o arcilla. Estas capas arenosas son generalmente medianamente compactas a muy compactas y de espesor variable de centímetros a varios metros. Los depósitos lacustres suelen estar cubiertos superficialmente por suelos aluviales, materiales desecados y rellenos artificiales; el espesor de este conjunto puede ser superior a 50 m. 2.3 Exploraciones:
2.4 Determinación de las propiedades en el laboratorio: Las propiedades índice relevantes de las muestras alteradas e inalteradas se determinarán siguiendo procedimientos aceptados para este tipo de pruebas. El número de ensayes realizados deberá ser suficiente para poder clasificar con precisión el suelo de cada estrato. En materiales arcillosos, se harán por lo menos dos clasificaciones y determinaciones de contenido de agua por cada metro de exploración y en cada estrato individual identificable. Las propiedades mecánicas (resistencia y deformabilidad a esfuerzo cortante y compresibilidad) e hidráulicas (permeabilidad) de los suelos se determinarán, en su caso, mediante procedimientos de laboratorio aceptados. Las muestras de materiales cohesivos ensayadas serán siempre de tipo inalterado. Para determinar la compresibilidad, se recurrirá a pruebas de consolidación unidimensional y para la resistencia al esfuerzo cortante, a las pruebas que mejor representen las condiciones de drenaje, trayectorias de esfuerzos, y variación de carga que se desean evaluar. Cuando se requiera, las pruebas se conducirán de modo que permitan determinar la influencia de la saturación, de las cargas cíclicas y de otros factores significativos sobre las propiedades de los materiales ensayados. Se realizarán por lo menos dos series de tres pruebas de resistencia y dos de consolidación en cada estrato identificado de interés para el análisis de la estabilidad o de los movimientos de la construcción. 2.5 Investigación del hundimiento regional: En las zonas II y III, se tomará en cuenta la información disponible respecto a la evolución del proceso de hundimiento regional que afecta la parte lacustre del Distrito Federal y se preverán sus efectos a corto y largo plazo sobre el comportamiento de la cimentación en proyecto. 3. VERIFICACIÓN DE LA SEGURIDAD DE LAS CIMENTACIONES 3.1 Acciones de diseño 3.2 Factores de carga y de resistencia 3.3 Cimentaciones someras (zapatas y losas) 3.3.1 Estados límite de falla 3.3.2 Estados límite de servicio 3.4 Cimentaciones compensadas 3.4.1 Estados límite de falla 3.4.2 Estados límite de servicio 3.4.3Presiones sobre muros exteriores de la subestructura 3.5 Cimentaciones con pilotes de fricción 3.5.1 Estados límite de falla 3.5.2 Estados límite de servicio 3.6 Cimentaciones con pilotes de punta o pilas 3.6.1 Estados límite de falla 3.6.1.1 Capacidad por punta
3.6.1.2Capacidad por fricción lateral sobre el fuste de pilotes de punta o pilas. 3.6.2 Estados límite de servicio 3.7 Pruebas de carga en pilotes 3.8 Cimentaciones especiales
En el diseño de toda cimentación, se considerarán los siguientes estados límite, además de los correspondientes a los miembros de la estructura: a) De falla: 1) Flotación; 2) Flujo plástico local o general del suelo bajo la cimentación; 3) Falla estructural de pilotes, pilas u otros elementos de la cimentación. La revisión de la seguridad de una cimentación ante estados límite de falla consistirá en comparar para cada elemento de la cimentación, y para ésta en su conjunto, la capacidad de carga del suelo con las acciones de diseño, afectando la capacidad de carga neta con un factor de resistencia y las acciones de diseño con sus respectivos factores de carga. La capacidad de carga de los suelos de cimentación se calculará por métodos analíticos o empíricos suficientemente apoyados en evidencias experimentales locales o se determinará con pruebas de carga. La capacidad de carga de la base de cualquier cimentación se calculará a partir de la resistencia media del suelo a lo largo de la superficie potencial de falla correspondiente al mecanismo más crítico. En el cálculo se tomará en cuenta la interacción entre las diferentes partes de la cimentación y entre ésta y las cimentaciones vecinas. Cuando en el subsuelo del sitio o en su vecindad existan rellenos sueltos, galerías, grietas u otras oquedades, éstos deberán tratarse apropiadamente o bien considerarse en el análisis de estabilidad de la cimentación. b) De servicio: 1) Movimiento vertical medio, asentamiento o emersión de la cimentación, con respecto al nivel del terreno circundante; 2) Inclinación media de la construcción, y 3) Deformación diferencial de la propia estructura y sus vecinas. En cada uno de los movimientos, se considerarán el componente inmediato bajo carga estática, el accidental, principalmente por sismo, y el diferido, por consolidación, y la combinación de los tres. El valor esperado de cada uno de tales movimientos deberá garantizar que no se causarán daños intolerables a la propia cimentación, a la superestructura y sus instalaciones, a los elementos no estructurales y acabados, a las construcciones vecinas ni a los servicios públicos. Se prestará gran atención a la compatibilidad a corto y largo plazo del tipo de cimentación seleccionado con el de las estructuras vecinas 4. DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA CIMENTACIÓN Los elementos mecánicos (presiones de contacto, empujes, etc.) requeridos para el diseño estructural de la cimentación deberán determinarse para cada combinación de acciones señalada en la sección 3.1. Los esfuerzos o deformaciones en las fronteras suelo– estructura necesarios para el diseño estructural de la cimentación, incluyendo presiones de contacto y empujes laterales, deberán evaluarse tomando en cuenta la rigidez y la resistencia de la estructura y de los suelos de apoyo. Las presiones de contacto consideradas deberán ser tales que las deformaciones diferenciales del suelo calculadas con ellas coincidan aproximadamente con las del sistema subestructura–superestructura. Para determinar distribuciones de este tipo, será aceptable suponer que el medio es elástico y continuo y usar las soluciones analíticas existentes o métodos numéricos. Será aceptable cualquier distribución que satisfaga las condiciones siguientes:
a) Que exista equilibro local y general entre las presiones de contacto y las fuerzas internas en la subestructura y las fuerzas y momentos transmitidos a ésta por la superestructura; b) Que los hundimientos diferenciales inmediatos más diferidos con las presiones de contacto consideradas sean aceptables en términos de las presentes Normas (tabla 3.1); y c) Que las deformaciones diferenciales instantáneas más las diferidas del sistema subestructura–superestructura sean aceptables en términos de las presentes Normas. La distribución de esfuerzos de contacto podrá determinarse para las diferentes combinaciones de solicitaciones a corto y largo plazos, con base en simplificaciones e hipótesis conservadoras o mediante estudios explícitos de interacción suelo– estructura. Los pilotes y sus conexiones se diseñarán para poder soportar los esfuerzos resultantes de las acciones verticales y horizontales consideradas en el diseño de la cimentación y los que se presenten durante el proceso de transporte, izaje e hinca. Los pilotes deberán poder soportar estructuralmente la carga que corresponde a su capacidad de carga última con factor de resistencia unitario. Los pilotes de concreto deberán cumplir con lo estipulado en el Reglamento y en sus Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto. Los pilotes de acero deberán protegerse contra corrosión al menos en el tramo comprendido entre la cabeza y la máxima profundidad a la que, se estime, pueda descender el nivel freático. En el caso de cimentaciones sobre pilotes de punta en las zonas II y III, se tomará en cuenta que, por la consolidación regional, los pilotes pueden perder el confinamiento lateral en su parte superior en una altura igual a la magnitud de la consolidación regional entre la punta del pilote y su parte superior. La subestructura deberá entonces diseñarse para trabajar estructuralmente tanto con soporte del suelo como sin él es decir, en este último caso, apoyada solamente en los pilotes. 5. ANÁLISIS Y DISEÑO DE EXCAVACIONES 5.1 Estados límite de falla: colapso de los taludes o de las paredes de la excavación o del sistema de ademado de las mismas, falla de los cimientos de las construcciones adyacentes y falla de fondo de la excavación por corte o por subpresión en estratos subyacentes, y colapso del techo de cavernas o galerías. 5.1.1 Taludes 5.1.2 Falla por subpresión en estratos permeables 5.1.3 Estabilidad de excavaciones ademadas 5.1.4 Estabilidad de estructuras vecinas 5.2 Estados límite de servicio: movimientos verticales y horizontales inmediatos y diferidos por descarga en el área de excavación y en los alrededores. Los valores esperados de tales movimientos deberán ser suficientemente reducidos para no causar daños a las construcciones e instalaciones adyacentes ni a los servicios públicos. Además, la recuperación por recarga no deberá ocasionar movimientos totales o diferenciales intolerables para las estructuras que se desplanten en el sitio. 5.2.1Expansiones instantáneas y diferidas por descarga 5.2.2 Asentamiento del terreno natural adyacente a las excavaciones Para realizar la excavación, se podrán usar pozos de bombeo con objeto de reducir las filtraciones y mejorar la estabilidad. Sin embargo, la duración del bombeo deberá ser tan corta como sea posible y se tomarán las precauciones necesarias para que sus efectos queden prácticamente circunscritos al área de trabajo. En este caso, para la evaluación de los estados límite de servicio a considerar en el diseño de la excavación, se tomarán en cuenta los movimientos del terreno debidos al bombeo. Los análisis de estabilidad se realizarán con base en las acciones aplicables señaladas en las Normas correspondientes, considerándose las sobrecargas que puedan actuar en la vía pública y otras zonas próximas a la excavación. 6. MUROS DE CONTENCIÓN: Las presentes Normas se aplicarán a los muros de gravedad (de mampostería, de piezas naturales o artificiales, o de concreto simple), cuya estabilidad se debe a su peso propio, así como a los muros de concreto reforzado empotrados en su base, con o sin anclas o contrafuertes, y que utilizan la acción de voladizo para retener la masa de suelo. Los muros de contención exteriores construidos para dar estabilidad al terreno en desniveles, deberán diseñarse de tal forma que no se rebasen los siguientes estados límite de falla: volteo, desplazamiento del muro, falla de la cimentación del mismo o del talud que lo soporta, o bien rotura estructural. Además, se revisarán los estados límite de servicio, como asentamiento, giro o deformación excesiva del muro. Los empujes se estimarán tomando en cuenta la flexibilidad del muro, el tipo de relleno y el método de colocación del mismo.
Los muros incluirán un sistema de drenaje adecuado que impida el desarrollo de empujes superiores a los de diseño por efecto de presión del agua. Para ello, los muros de contención deberán siempre dotarse de un filtro colocado atrás del muro con lloraderos y/o tubos perforados. Este dispositivo deberá diseñarse para evitar el arrastre de materiales provenientes del relleno y para garantizar una conducción eficiente del agua infiltrada, sin generación de presiones de agua significativas. Se tomará en cuenta que, aún con un sistema de drenaje, el efecto de las fuerzas de filtración sobre el empuje recibido por el muro puede ser significativo. Las fuerzas actuantes sobre un muro de contención se considerarán por unidad de longitud. Las acciones a tomar en cuenta, según el tipo de muro serán: el peso propio del muro, el empuje de tierras, la fricción entre muro y suelo de relleno, el empuje hidrostático o las fuerzas de filtración en su caso, las sobrecargas en la superficie del relleno y las fuerzas sísmicas. Los empujes desarrollados en condiciones sísmicas se evaluarán en la forma indicada en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo. 6.l Estados límite de falla: Los estados límite de falla a considerar para un muro serán la rotura estructural, el volteo, la falla por capacidad de carga, deslizamiento horizontal de la base del mismo bajo el efecto del empuje del suelo y, en su caso, la inestabilidad general del talud en el que se encuentre desplantado el muro. 6.1.1 Restricciones del movimiento del muro 6.1.2 Tipo de relleno 6.1.3 Compactación del relleno 6.1.4 Base del muro 6.2 Estados límite de servicio: Cuando el suelo de cimentación sea compresible, deberá calcularse el asentamiento y estimarse la inclinación de los muros por deformaciones instantáneas y diferidas del suelo. Se recurrirá a los métodos aplicables a cimentaciones superficiales.
7. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO: Como parte del estudio de mecánica de suelos, deberá definirse un procedimiento constructivo de las cimentaciones, excavaciones y muros de contención que asegure el cumplimiento de las hipótesis de diseño y garantice la integridad de los elementos de cimentación y la seguridad durante y después de la construcción. Dicho procedimiento deberá ser tal que se eviten daños a las estructuras e instalaciones vecinas y a los servicios públicos por vibraciones o desplazamiento vertical y horizontal del suelo. Cualquier cambio significativo que se pretenda introducir en el procedimiento de construcción especificado en el estudio geotécnico deberá analizarse con base en la información contenida en dicho estudio o en un estudio complementario si éste resulta necesario. 7.1 Procedimiento constructivo de cimentaciones 7.1.1 Cimentaciones someras 7.1.2 Cimentaciones con pilotes o pilas 7.1.2.1 Pilas o pilotes colados en el lugar 7.1.2.2 Pilotes hincados a percusión 7.1.2.3 Pruebas de carga en pilotes o pilas 7.2 Excavaciones 7.2.1 Consideraciones generales. 7.2.2. Control del flujo de agua 7.2.3 Tablaestacas y muros colados en el lugar 7.2.4 Secuencia de excavación 7.2.5 Protección de taludes permanentes
8. OBSERVACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA CIMENTACIÓN: En las edificaciones del Grupo A y subgrupo B1 a que se refiere el artículo 139 del Capítulo I del Título Sexto del Reglamento, deberán hacerse nivelaciones durante la construcción y hasta que los movimientos diferidos se estabilicen, a fin de observar el comportamiento de las excavaciones y cimentaciones y prevenir daños a la propia construcción, a las construcciones vecinas y a los servicios públicos. Será obligación del propietario o poseedor de la edificación, proporcionar copia de los resultados de estas mediciones, así como de los planos, memorias de cálculo y otros documentos sobre el diseño de la cimentación a la Administración cuando ésta lo solicite y a los diseñadores de inmuebles que se construyan en predios contiguos. En las edificaciones con peso unitario medio mayor de 40 kPa (4 t/m²) o que requieran excavación de más de 2.5 m de profundidad, y en las que especifique la Administración, será obligatorio realizar nivelaciones después de la construcción, cada mes durante los primeros meses y cada seis meses durante un periodo mínimo de cinco años para verificar el comportamiento previsto de las cimentaciones y sus alrededores. Posteriormente a este periodo, será obligación realizar las mediciones que señala el artículo 176 del Capítulo IX del Título Sexto del Reglamento, por lo menos cada cinco años o cada vez que se detecte algún cambio en el comportamiento de la cimentación, en particular a raíz de un sismo.
9. CIMENTACIONES ABANDONADAS: Al demoler edificios dañados por sismo o cuya vida útil haya concluido, se tomarán las precauciones necesarias para que los elementos de cimentación dejados en el suelo no causen daños a las construcciones vecinas, a los servicios públicos o a las edificaciones que se construirán en el futuro en el mismo predio. Se tomará en cuenta que la presencia de una cimentación abandonada en un subsuelo sometido a consolidación regional tiende a generar una emersión aparente del terreno muy prolongada en el tiempo, similar a la inducida por cimentaciones sobre– compensadas, que puede causar deformaciones inaceptables en la periferia de la misma. Deberá demostrarse, a satisfacción de la Administración, que las precauciones tomadas garantizan que estos elementos de cimentación no tendrán efectos indeseables. En caso contrario, deberá procederse a su extracción y a la restitución de condiciones análogas a las del suelo natural.
10. CIMENTACIONES SOBRE RELLENOS CONTROLADOS: En ningún caso será aceptable cimentar sobre rellenos naturales o artificiales que no hayan sido colocados en condiciones controladas o estabilizados. Será aceptable cimentar sobre terraplenes de suelos no orgánicos compactados, siempre que estos hayan sido construidos por capas de espesor no mayor de 30 cm, con control del contenido de agua y del peso volumétrico seco en las condiciones marcadas por el estudio de mecánica de suelos. La construcción de terraplenes con suelos estabilizados con cemento u otro cementante deberá basarse en pruebas mecánicas y de intemperización realizadas en el laboratorio. Estas pruebas deberán permitir definir los porcentajes de cementante requeridos así como las condiciones de colocación y compactación. Las características de los materiales colocados en la obra deberán ser verificadas por muestreo y/o pruebas de campo en el sitio. Las propiedades del material estabilizado deberán ser suficientes para garantizar la estabilidad del terraplén y de las cimentaciones que descansen sobre él a corto y a largo plazo, aun bajo el efecto de infiltraciones de agua y de otros agentes de intemperización. Al cimentar sobre rellenos controlados, deberán revisarse los estados límites de servicio y de falla de la cimentación del terraplén, del terraplén mismo y de la propia cimentación, con base en los criterios definidos en las presentes Normas.
11. RECIMENTACIONES: La recimentación de una estructura, en su estado actual o con vista a una ampliación o remodelación de la misma, será obligatoria cuando existan evidencias observacionales o analíticas que indiquen que la cimentación en su estado actual o futuro no cumple con las presentes Normas. La recimentación o renivelación podrá ser exigida por la Administración en el caso de construcciones que hayan sido dictaminadas como inseguras y riesgosas para las construcciones vecinas y/o los servicios públicos. Los trabajos de recimentación o de renivelación deberán basarse en un estudio estructural y de mecánica de suelos formal. En el caso de una recimentación, se verificará la adecuación de la estructuración y de la nueva cimentación. Los elementos de cimentación agregados a los existentes deberán ser precargados para asegurar su trabajo conjunto con el resto de la cimentación. Los trabajos de recimentación o de renivelación deberán realizarse por etapas de tal forma que, en cualquier instante de la construcción y posteriormente a ella, no se ponga en peligro la seguridad ni se causen daños en la propia construcción, en las construcciones adyacentes y/o en los servicios públicos.
12. MEMORIA DE DISEÑO: Todo estudio de mecánica de suelos e ingeniería de cimentaciones deberá incluir una memoria de diseño detallada con la información suficiente para que pueda ser fácilmente revisada. La memoria de diseño incluirá una descripción detallada de las características del subsuelo, la justificación del tipo de cimentación o recimentación proyectado y de los procedimientos de construcción especificados, así como una exposición de los métodos de análisis usados y los resultados de las verificaciones realizadas de acuerdo con las presentes Normas en cuanto a estados límites de falla y de servicio. También incluirá una descripción clara del comportamiento previsto para cada uno de los estados límite indicado en las presentes Normas. Se anexarán los resultados de las exploraciones, sondeos, pruebas de laboratorio y de campo y otras determinaciones y análisis, las magnitudes de las acciones consideradas en el diseño, los cálculos realizados, así como la interacción considerada durante y después de la construcción con las cimentaciones de los inmuebles colindantes y la distancia, en su caso, dejada entre estas cimentaciones y la que se proyecta. En el caso de edificios cimentados en terreno con problemas especiales, y en particular los que se localicen en terrenos agrietados, sobre taludes o donde existan rellenos o antiguas minas subterráneas, se agregará a la memoria una descripción de estas condiciones y se indicará cómo éstas se tomaron en cuenta en el diseño de la cimentación.
ESTUDIOS GEOTÉCNICOS PARA CIMENTACIONES 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este escrito es destacar la trascendencia de los estudios geotécnicos en el proyecto y construcción de cimentaciones de obras civiles (estructuras de tierra, puentes, edificios, instalaciones) para que a la vez sean estables, funcionales y económicas. 2. ALCANCE DE LOS ESTUDIOS GEOTÉCNICOS La meta de los estudios geotécnicos es lograr obras estables, funcionales y económicas, requisitos que son indispensables e inseparables. Desde el punto de vista de estabilidad, una cimentación tiene que asegurarse contra fallas por resistencia al esfuerzo cortante del suelo y garantizar que las deformaciones que experimentará (asentamientos, expansiones, desplazamientos horizontales) sean tolerables, tanto para la estructura que soporta, como para las obras colindantes. El estudio geotécnico de una cimentación comprende las siguientes etapas esenciales: a) Análisis e interpretación de los datos del proyecto. b) Determinación de la estratigrafía y propiedades del subsuelo y de las acciones ambientales. c) Elección y análisis de la cimentación apropiada a las estructuras en cuestión. d) Elaboración de normas específicas para el diseño estructural y construcción de la cimentación. Los factores que determinan el o los tipos de cimentación viables, así como la magnitud y alcance del estudio geotécnico correspondiente, son función principal de: a) Las características del proyecto. b) La estratigrafía y propiedades del subsuelo. c) Los factores ambientales. 3. DATOS DE PROYECTO REQUERIDOS. Al estudiar una cimentación es necesario el conocimiento de los datos arquitectónicos y estructurales del proyecto. Los más frecuentes e importantes son los siguientes: a) Localidad. b) Dimensiones, forma, configuración topográfíca, colindancias y otras particularidades. c) Planta de conjunto y distribución de estructuras y obras exteriores. d) Tipo, forma, dimensiones, rigidez y sensibilidad de las estructuras (susceptibilidad a deformaciones). e) Uso, operación y destino. f) Tipo, magnitud y distribución de las descargas al subsuelo. El conocimiento e interpretación de las características del proyecto son fundamentales para el estudio definitivo de la cimentación y construcción de las diversas obras consideradas. 4. EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO La exploración del subsuelo comprende los trabajos de campo y ensayes de laboratorio necesarios para definir y cuantificar la estratigrafía y propiedades mecánicas del subsuelo. Esta parte del estudio debe apoyarse en el conocimiento de la geología local (naturaleza, tipo y características estructurales de suelos y rocas) obtenido al recopilar la información existente de exploraciones previas y de las observaciones directas de un ingeniero geotécnico en reconocimientos del sitio. Las observaciones deben incluir una evaluación del comportamiento de las cimentaciones existentes, información de fundamental importancia, pues equivale a la proporcionada por una prueba a escala natural, a corto y a largo plazos. 5. FACTORES AMBIENTALES Son muchos los factores que tienen influencia al proyectar una obra, entre los cuales pueden citarse los siguientes: a) Sismicidad. b) Acción del viento. c) Hundimiento regional. d) Discontinuidades naturales o artificiales del subsuelo.
e) Construcciones e instalaciones vecinas. f) Acción del agua en proyectos localizados en zonas de inundación. g) Estabilidad de laderas naturales y cortes artificiales. El conocimiento oportuno de la existencia de alguno o varios de los factores enunciados permitirá cuantificar y considerar su influencia en el comportamiento de las cimentaciones en estudio. 6. ELECCIÓN Y ANÁLISIS DE LA CIMENTACIÓN APROPIADA Como todas las partes de la estructura, la cimentación debe llenar las máximas condiciones de seguridad y economía. En cuanto a su seguridad, la cimentación tiene que cumplir con los requisitos básicos de estabilidad ya enunciados, a saber: a) Ser segura contra fallas por resistencia al corte del subsuelo. b) No asentarse o emerger más allá de los valores tolerables por la propia estructura y obras colindantes. c) Localizarse y protegerse adecuadamente contra probables agentes externos que puedan comprometer su comportamiento. Establecidos los requisitos que debe llenar una cimentación apropiada, los pasos involucrados en su elección y análisis son los siguientes: 6.1 Interpretación de datos 6.2. Capacidad de carga 6.3. Análisis de deformaciones: Entre las causas de asentamiento pueden citarse las siguientes: a) Peso propio de la estructura. b) Recuperación de expansiones generadas en excavaciones. c) Sismo y vibración. d) Saturación del terreno por inundación, riego, fugas de instalaciones y de tuberías. e) Contracción de arcillas por secado. f) Extracción de agua del subsuelo. g) Falta o pérdida de apoyo lateral. h) Erosión del subsuelo. i) Asentamiento de construcciones o sobrecargas vecinas. j) Remoldeo de arcillas. k) Fallas de techos de minas o cavernas. l) Degradación de materia orgánica. m) Rellenos de mala calidad. Las deformaciones que pueden predecirse con mayor grado de aproximación son las impuestas por el peso propio de la estructura. Entre ellas se diferencian las inmediatas y las que ocurren a corto y a largo plazo. 7. OBRAS EXTERIORES Las obras exteriores comprenden, por ejemplo: excavaciones, rellenos, muros de contención, cisternas, pavimentación de áreas de circulación (estacionamientos, patios de maniobras, calles o caminos de acceso), plazas de acceso, obras complementarias de drenaje y subdrenaje, y otras menos frecuentes como pozos de abastecimiento de agua. 8. COMPORTAMIENTO DE CONJUNTO La elección, análisis y solución de cada uno de los problemas debe considerar tanto el comportamiento individual de la obra en cuestión, como su influencia en el comportamiento del conjunto, principalmente en las estructuras e instalaciones inmediatas, incluyendo las colindancias del predio. 9. RECOMENDACIONES PARA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN Estas recomendaciones, además de especificar los procedimientos constructivos adecuados, deben señalar la secuencia de aplicación de los mismos. Dependiendo de las características de la cimentación, de las obras complementarias y de las propiedades del subsuelo, las recomendaciones necesarias pueden ser: a) Excavación (si la hubiera), profundidad, etapas, avance. En este sentido, las recomendaciones dependerán del suelo, pudiendo ser función de expansiones a corto y largo plazo, de la estabilidad de los cortes
perimetrales, de la presencia de construcciones e instalaciones vecinas, entre otros aspectos. Construcción de elementos o estructuras de retención. b) Método de abatimiento del nivel freático (cuando se requiera), superficial o profundo, tipo, número, profundidad y distribución de pozos, profundidad y control del abatimiento. c) Procedimiento constructivo de la subestructura, incluyendo pilas y pilotes, cuando los haya. En el caso de pilotes se señalará su tipo, si son precolados o colados en sitio, si requieren o no de perforación previa, etc. Para las pilas se indicará el método de perforación -en seco, con ademe, o con utilización de lodos- y condiciones de colado entre otros aspectos. d) Tipo y características de los materiales para construir rellenos, y de sus bancos de aprovisionamiento, grado de compactación, espesor de las capas compactadas, equipo. En los rellenos deben considerarse los requeridos para las excavaciones que alojen a las cimentaciones. e) Otras recomendaciones que se ameriten 10. INSTRUMENTACIÓN Y MEDICIONES La buena aplicación de los procedimientos constructivos es fundamental para no alterar las condiciones naturales de los suelos, que pueden reflejarse en remoldeo, deformaciones (expansiones que al recuperarse se sumen a los asentamientos), inestabilidad de excavaciones, todas ellas en condiciones tales que puedan comprometer el comportamiento de las obras. Por lo anterior, es aconsejable y, en muchos casos necesario, instalar una instrumentación adecuada, de cuyas mediciones pueda conocerse el comportamiento del subsuelo y de la obra, al menos durante su construcción y en el lapso inicial de su vida útil.
