INTRODUCCION Siempre que analicemos un cuerpo en equilibrio dentro de un campo gravitatorio veremos la necesidad de la existencia de otro sobre el cual apoyarse. En caso que el cuerpo en equilibrio sea una estructura, la misma se apoyará en el suelo, y entre ambos existirá una zona de tran transi sici ción ón supe supere rest stru ruct ctur uraa-su suel elo o que que se deno denomi mina na fund fundac ació ión n o cimentación. Desde el punto de vista estructural, las fundaciones conforman aquella parte de las estructuras que estará encargada de transferir las cargas recibidas hacia el suelo de fundación. En la cadena de transferencia de cargas, cargas, la fundación fundación siempr siempre e es el último último eslabón eslabón,, y quizá quizá uno de los más importantes, con el inconveniente que en general no se ve y queda enterrada. Esto hace que muchas veces los costos y el esfuerzo que demandan dentro de una obra no sean lo suficientemente valorados. Siemp Siempre re que que anali analicem cemos os una una estru estructu ctura ra enco encontr ntrare aremo mos s estos estos tres tres elementos − Estructura superior o superestructura: Es el cuerpo que se quiere apoyar, el que recibe las cargas y las canaliza a través de una serie de elementos estructurales hacia los puntos de apoyo, las fundaciones − Fundaciones o infra-estructura: Es la parte final de la estructura, son los apoyos, elemento que funciona como interface entre la super superest estru ructu ctura ra y el suelo suelo de funda fundació ción, n, disip disipan ando do las carga cargas s recibidas. − Suelo de fundación: Parte del suelo donde se apoya la estructura, es el encargado de recibir y terminar de disipar las cargas que le transfiere la fundación.
En la etapa de proyecto, al momento de proyectar la estructura, los tres elementos son igualmente importantes para el buen funcionamiento del conjunto.
Clasificación de las fundaciones en puentes La clasificación clásica de fundaciones las divide en dos grandes grandes grupos. Fundaciones directas y fundaciones indirectas. Se entiende por fundaciones directas aquellas que están en contacto intimo intimo con con el estra estrato to port portant ante e elegi elegido do para para sopor soportar tar las las carga cargas s del del puente y con distribuyen distribuyen en este, en forma forma de presiones presiones unitarias, unitarias, más o meno menos s unif unifor orme mes, s, las las reac reacci cion ones es del del puen puente te,, en tant tanto o que que se consider consideran an fundacio fundaciones nes indirect indirectas as aquellas aquellas que no están están en contact contacto o con con el estr estrat ato o port portan ante te,, el cual cual se llev llevan an las las carg cargas as por por medi medio o de elementos intercalados entre las fundación y dicho estrato: entre ellas, las las fund fundac acio ione nes s sobr sobre e pilo pilote tes s cons consti titu tuye yen n uno uno de los los caso casos s más más comunes. Según el tipo de fundación que vaya a utilizarse en el proyecto de un puente se les puede clasificar, también, dentro de los siguientes grupos: -
Fundaciones extendidas, extendidas, que son fundaciones directas de área considerable que distribuyen las cargas sobre el estrato portante en que se apoyan.
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Fund Fundac acio ione nes s sobr sobre e cilin cilindr dros os y ca cajo jone nes s, en las cuales se util utiliz izan an esto estos, s, a la vez, vez, como como enti entiba bado dos s y como como elem elemen ento tos s transmisores de la carga a los estratos portantes.
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Fundaciones sobre pilotes, pilotes, los cuales transmiten a los estratos portantes profundos la carga de la fundación.
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Pilas profundas excavadas con lodos bentoníticos, los cuales sostienen las paredes de la excavación y evitan la socavación de su sección, circular o rectangular, hasta que se la rellene con concreto, generalmente reforzado con una jaula pre-fabricada.
Dentro de cada uno de estos grupos se pueden desarrollar tipos muy diversos de fundaciones, que respondan a las exigencias de las condiciones locales y reflejen el criterio y la experiencia del proyectista. Fundaciones extendidas Las fundaciones extendidas constituyen el tipo más simple de fundación directa. Sirven para incrementar el área de apoyo de la infraestructura y asentarlas a una profundidad suficiente para satisfacer a cabalidad las condiciones generales que debe llenar toda fundación.
Para ello, su forma y dimensiones se calculan de manera de lograr que: -
La resultante de todas las cargas que actúan sobre la fundación pase preferiblemente por el centro de gravedad del área de apoyo, o por o menos, que quede comprendida dentro del núcleo de dicha área, a fin de que no haya tracción en ningún punto de la fundación.
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La resultante de la cargas sea normal a la superficie de apoyo, o forme con ella un ángulo, menor que el Angulo de reposo a la fricción del terreno.
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La presión máxima sobre el terreno no exceda la capacidad de carga del mismo, determinada, sea por medio de una exploración exhaustiva del subsuelo, en el caso de las estructuras importantes, o por el uso de valores medios, dados anteriormente, en el caso de las estructuras de menor magnitud.
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La presión sobre el terreno sea uniforme en todos los puntos de una fundación y en todas las fundaciones de una misma estructura.
Cilindros y cajones de fundación Estas fundaciones consisten en elementos de concreto reforzado, de sección transversal cilíndrica, rectangular, elipsoidal o similar (hueco al centro de la sección) que se coloca verticalmente en el suelo de apoyo, utilizando técnicas apropiadas de excavación y retiro de rezaga. Básicamente, se trata de encontrar un estrato resistente bajo un depósito de suelo de propiedades mecánicas deficientes, con el fin de conseguir un apoyo satisfactorio a una profundidad práctica. Las profundidades económicas máximas que suelen alcanzarse son del orden de 65 m.
Inicialmente, es necesario identificar las partes que integran un cajón o cilindro de cimentación, las cuales son: -
Cuchilla cortadora de acero estructural (localizada en la parte inferior), es el elemento de ataque para cortar el material donde se va hincando. Antiguamente se fabricaban con una altura de 1.50 m y sección tronco-cónica para formar la transición entre la
cuchilla propiamente dicha y la pared del cilindro o cajón; en la actualidad se han reducido a una pequeña sección de 30 cm de altura y la transición se hace de concreto, formando parte de la pared.
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Pared de concreto reforzado (que constituye el cuerpo principal del elemento), su resistencia suele ser del orden de 250 kg/cm2 y su espesor típicamente tiene entre 80 cm y 1 m. Este espesor de las paredes del cilindro se dimensiona básicamente para lastre, facilitando así el hincado. El diámetro exterior de los cilindros varía entre 4.50 y 9 m para dar un área interior suficiente que permita el funcionamiento del equipo de excavación, mientras que las secciones de los cajones llegan a medir hasta 10 x 15 m habiéndose hincado -como máximo- a profundidades de 65 m. Una función de las paredes es transmitir las cargas al tapón inferior.
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Tapón inferior (generalmente colado bajo agua), es construido a base de concreto simple con resistencia mínima de 200 kg/cm 2. Debido a los, generalmente, grandes espesores utilizados (1.5 a 2 m) y al corto claro, éstos no requieren de acero de refuerzo. Al recibir el peso de la estructura, transmite las cargas al terreno y evita la penetración del cilindro o cajón en él.
Tapón Inferior
Procedimiento de colado del tapón inferior bajo agua, con bote de fondo móvil
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Relleno interior, en la mayoría de los casos, el cilindro se deja con agua hasta el nivel freático, y sólo en ocasiones excepcionales (cuando se requiere aumentar el peso o facilitar la construcción del tapón superior) se efectúa con algún material adecuado.
- Tapón superior, comúnmente se elabora a base de concreto
reforzado con resistencia de 250 kg/cm2 y espesor variable de 1 a 3 m. Es el elemento que transmite a la pared, la carga de la estructura que sobre él se apoya. Este tapón sella el cilindro o cajón en su parte superior, después del colado del tapón inferior y de haberse efectuado las inspecciones requeridas en el interior del elemento.
El collado de concreto bajo agua, para construir el tapón final, debe ser objeto de especial cuidado para evitar contaminación del concreto o segregación de sus componentes. Los cilindros y cajones de cimentación se pueden clasificar, atendiendo a su funcionamiento geotécnico y a la forma de construirlos, en cilindros y cajones de fondo abierto y, cilindros y cajones neumáticos (actualmente en desuso).
Esquema típico de un cajón neumático (Utilizado a principios del siglo XX)
Sistemas de agotamiento de aguas freática Agotamiento superficial El agotamiento superficial consiste en dejar salir el agua que está en la superficie extrayéndola mediante bombas que desagüen por tuberías. El agotamiento superficial consiste en hacer un pozo en la superficie de tal forma de que las aguas se encaucen hacia ese pozo mediante zanjas periféricas de la excavación. El agotamiento superficial es más barato y más rápido de instalar que el agotamiento subterráneo, es más flexible para dimensionar el equipo a usar, además los caudales varían con la profundidad y extensión de la excavación y con la lluvia y otros factores, además se pueden emplear bombas, cañerías y mangueras normales. El problema de este sistema de agotamiento es que se trabaja permanentemente sobre barro. Agotamiento subterráneo El agotamiento subterráneo consiste en hacer pozo de extracción de aguas subterráneas. Se extrae el agua antes de que aflore. En casos especiales (suelos finos, no cohesivos), el agua, debido a su gradiente hidráulico, erosiona y destruye el suelo (lo tubifica). En esos casos es necesario usar agotamiento subterráneo. Consiste en rodear la excavación de pozos de extracción de aguas subterráneas. Tienen que equiparse y ponerse en función antes de excavar. Con agotamiento subterráneo se logran taludes más verticales y excavaciones en terreno seco.
Atendido los costos que estas mediciones traen asociados, instrumentación, agotamientos parciales, mediciones y control, informes, tiempo de espera y ejecución, etc. En la práctica las empresas especializadas fundan su trabajo en los antecedentes aportados por la mecánica de suelo y el conocimiento empírico del trabajo. Agotamientos de napas con sistemas de punteras (wellpoints) El wellpoint es un sistema de agotamiento de agua que puede resultar de gran eficiencia y utilidad en excavaciones cuya cota se encuentra por debajo del nivel freático. Por ejemplo, en la ejecución de sótanos o zanjas para colectores. A veces es necesario instalar más unidades de agotamiento (punteras y pozo con bomba) para acelerar el proceso, ya que de aumentar sólo la potencia de la bomba, la misma se quedaría funcionando en seco con los daños correspondientes.
La aspiración del agua se produce por vacío a través de numerosos puntos de captación, tantos como lanzas colocadas, a través de los filtros existentes en los extremos. Los pozos de diámetro (2” a 8”), Están conectados a una tubería general o colector, en la que trabaja una bomba centrifuga. El montaje del equipo no tiene excesiva complicación. La hinca de las lanzas/agujas se realiza mediante inyección de agua a presión a través de las mismas. Una vez colocadas se conectan al colector principal, que a su vez irá conectado a la bomba de vacío, desde donde se conducirá el agua extraída al punto de vertido (con la ayuda de dos bombas incorporadas). Habiendo finalizado la instalación, el accionamiento y control del funcionamiento del equipo es muy sencillo. Este método se utiliza para medios con baja permeabilidad donde el agua no llegaría por gravedad a los pozos. Esta alternativa consiste en la introducción de una serie de puntas filtrantes, recogidas a nivel de la superficie en una tubería colectora la cual se conecta a una bomba de aspiración que produce el achique. Así se puede rebajar la cota de agua en aproximadamente unos 7 cm. En caso de requerir más reducción, se establece un sistema escalonado. Como principal inconveniente o limitación, esta la cota de aspiración (en la práctica, en torno a 4 m),
dependiendo de las condiciones de contorno de trabajo. Esta limitación puede ser superada mediante líneas distintas de wellpoint. Para ello, y utilizando la bomba de hinca, que es una bomba de chorro de agua a presión, se hinca en el terreno, según la disposición de la obra, un número considerable de tubos de 50 mm de diámetro, que disponen de un último tramo, el más profundo, en forma de filtro. Estas unidades, llamadas lanzas de drenaje o Well-Point, son las que absorben el agua del terreno conectadas a un equipo de bombeo. El equipo Well-Point, consta de los siguientes elementos principales: Cámara o tanque de separación de aire: consiste en un amplio recipiente cilíndrico con gran capacidad (1,5 m3), para reducir al mínimo los paros y arrancadas. Bombas sumergibles eléctricas o bombas para la impulsión del agua, así como los electrodos de barra para el control del nivel eléctrico. Dos bombas de vacío eléctricas adosadas en el exterior de la cámara o tanque: se trata de dos depresores del tipo multicelular enfriado por aire y lubricado por aceite. Todos los equipos están provistos de control de marcha automática, con lo que se reduce al mínimo los costos de funcionamiento. Los agotamientos o depresiones de napas no se realizan todos de la misma manera esto dependerá del tipo de suelo a deprimir, arcilla, arena, limo, mixtos u otros. Por lo general las punteras de una misma profundidad no entregan el mismo caudal esto dependerá del escurrimiento “drenaje” producto de la granulometría del subsuelo y presión del manto acuífero. Agotamiento de Napas -
Las napas de agua son cuerpos que se están movilizando permanentemente en alguna dirección, la cual varía dependiendo fundamentalmente de: La época del año, Situación pluviométrica y Obras aledañas, etc.
El flujo de la napa, es el que define la cantidad de agua a agotar o deprimir, es aún mas errático, puesto que los factores mencionados anteriormente gravitan sobre los volúmenes y además debemos incorporar un factor tan importante como la permeabilidad local del subsuelo. La medición de los volúmenes de agua disponibles, se obtienen fácilmente a través de instrumentación (Piezómetros) , que instalados en terreno, miden el agotamiento en pruebas parciales, en la práctica las empresas fundan su trabajo en antecedentes aportados por las mecánicas de suelo.
Las obras de agotamiento de napas consisten básicamente, en la realización de perforaciones de poca profundidad, alrededor de la zona a deprimir, instalación de punteras, manifold y bombas succionadoras correspondientes, que una vez en funcionamiento, comienzan gradualmente a bajar el nivel del agua del subsuelo, en la zona requerida.
Fundaciones con pilotes Los pilotes a diferencia de las zapatas, son cimentaciones profundas. Suelen tener forma circular y pueden ser o prefabricados o ejecutados in situ. En trabajos de construcción se emplean diferentes tipos de pilotes, dependiendo del tipo de carga a soportar, condiciones del subsuelo y localización del nivel freático. Se dividen en de acero, de concreto, de madera y pilotes compuestos. Existen multitud de tipologías para la ejecución de los pilotes, nombraremos algunas a continuación:
Pilotes in situ: A. Para su construcción se debe realizar primeramente una perforación y luego hormigonar en ella o bien introducir un prefabricado.
B. La perforación se puede realizar mediante la extracción del terreno o bien mediante el desplazamiento del mismo mediante la hinca de una tubería. C. En pilotes de extracción el sostenimiento de la perforación se puede hacer mediante la propia resistencia del terreno, por el empleo de lodos tixotrópicos que forman una película resistente, mediante la colocación de una entubación metálica o la presencia del propio elemento de perforación como puede ser el caso de los pilotes excavados mediante barrena helicoidal. D. El Hormigonado de los pilotes ha de ser continuo para evitar discontinuidades que puedan afectar a su resistencia. Hay muchos métodos diferentes de hormigonar y colocar las armaduras para la construcción de un pilote in situ.
Pilotes prefabricados: A. Esta tipología de pilotes son de menor diámetro que los anteriores debido a la dificultad de hincarlos en el terreno. B. La fabricación de los pilotes tiene lugar generalmente en una central de prefabricados. C. El transporte de los mismos se deberá hacer de forma que no resistan cargas indebidas durante el transporte. D. La hinca de los mismos se hace habitualmente por golpeo. Una vez finalizado el pilote se ha de proceder al descabezado y la preparación para la situación del encepado. La parte superior se ha de rechazar debido a que ha sufrido los impactos para la realización del hincado.
Cimentaciones en condiciones especiales De manera más o menos habitual es común que en el paso de los puentes en ríos o en casos especiales sea necesaria la adopción de medidas especiales para la construcción de las cimentaciones de los puentes. A continuación se describirán que se han de realizar para la construcción en recintos estancos. Su ejecución consiste en aislar del agua una zona determinada donde se va a situar la cimentación de alguna pila, generalmente en el fondo de un río, brazo de mar o lago, etc. Una vez construido un recinto estanco se puede proceder de dos modos, primeramente se puede agotar el agua del interior del recinto y trabajar en seco bajo la cota del agua del río o de la superficie de agua. También se puede optar por rellenar la zona estanca y construir encima la cimentación. Si el calado es escaso se puede realizar un recinto simplemente rellenando con material de la granulometría adecuada, teniendo en cuenta la protección de los márgenes de la isla creada para evitar su erosión. Si el calado es muy grande generalmente se realiza el recinto mediante el clavado de tablestacas y el posterior agotamiento mediante bombas del agua que queda en el interior. Pilotes de gran diámetro Debido al aumento de las luces empleadas en la construcción de puentes actualmente a veces es necesaria la realización de pilotes de grandes diámetros excavados a profundidades considerables que puedan aguantar mayor número de cargas y nos permitan distanciar los apoyos del puente. La construcción de este tipo de pilotes es muy similar a los pilotes realizados in situ. Solamente que la maquinaria para su construcción ha de ser de mayor volumen para conseguir los rendimientos adecuados.
Cajones Existen diversas tipologías de cimentaciones mediante cajones. Los cajones consisten en la hinca de un cajón con su borde inferior biselado o con forma de cuchilla que se va construyendo a medida que progresa la excavación del material que va quedando encerrado en su interior. Este método ha quedado bastante en desuso debido a los pilotes de
gran diámetro que son más sencillos de construir. Solamente se puede realizar en terrenos blandos. Los cajones de aire comprimido surgieron al encontrarse con terrenos a excavar muy permeables o flojos debido al posible sifonamiento. Mediante la inyección de aire comprimido se evita el desmoronamiento de las paredes. Mediante este método es posible el acceso directo al fondo para vencer ciertos obstáculos durante el proceso de hinca.
Este cajón flotante, que supone la construcción de un puente, sirvió para echar los cimientos a las dos columnas del célebre puente Forth. El grabado muestra cómo pueden trabajar los obreros en el interior del cajón, y como tienen abundante aire irrespirable por los tubos que desde la superficie llegan al fondo. En el interior de uno de ellos pasa una escalera. Otro tubo sirve para subir el material extraído. Si en lecho del río es cenagoso, el légamo se extraen mediante aire comprimido, y éste mismo agente mantiene segura la Cámara contra la presión del agua, la cual, si no fuese por esto, llegaría a romper el cajón. Finalmente existen los cajones cerrados que habitualmente se construyen en seco y se transportan por flotación hasta el lugar de colocación, donde se rellenan y se hunden. El proceso, como se puede apreciar, es exactamente igual al empleado para la construcción de los muelles de los puertos. La cimentación por pilotes se ha convertido en la forma más común de cimentar cualquier tipo de estructura. La ejecución es rápida y esta muy mecanizada. Existen muchas técnicas de ejecución de pilotes, y muchas soluciones constructivas para el uso de los mismos. Se instalan aislados, en grupos, en línea formando una pantalla discontinua, con los fondos ensanchados o telescópicos, pilotes contiguos, pilotes secantes, etc. Un pilote se define como un elemento estructural de gran esbeltez, que soporta cargas axiales y laterales, y el cual puede sufrir cierta flexión, aun estando rodeado del suelo sobre el cual se hinca o se construye.
Es necesario notar que el cálculo de los estribos no puede tener una precisión muy grande ya que hay incertidumbre las cargas que actúan sobre ella, generalmente para estribos de 10 mts. De alto o alturas menores el peso del agua, el peso de la tierra la supresión resultan despreciables. Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero y/o maderas usadas para construir cimentaciones, cuando son profundas y cuestan más que las superficiales, a pesar del costo, el uso de pilotes es necesario para garantizar la seguridad estructural. Cuando el estrato superior es altamente compresible y demasiados débiles para soportar la carga, se usan pilotes para transmitir la carga al lecho rocoso o a una capa de profundidad razonable. Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, generalmente están sometidas a vientos y sismos. En casos de suelos expansibles o colapsables se extiende a gran profundidad. Los suelos expansivos se hinchan y se contraen conforme al contenido de agua crece o decrece. Y la presión de expansión es considerable.
Instalación de pilotes La mayoría de los pilotes son hincados en terreno por medio de martillos o hinchadores vibratorios, tenemos el martillo de caída libre, martillo de aire o vapor de acción simple, martillo de aire o vapor de acción doble y diferencial y martillo diesel. En el hincado el cabezal se conecta a la parte superior del pilote, un cojinete es usado entre el pilote y el capuchón con finalidad reducir la fuerza del impacto y repartirla en un tiempo mas largo (uso opcional) Prueba de carga en los pilotes, en la mayoría de grandes proyectos un numero de pruebas de carga debe llevarse sobre los pilotes, la capacidad de carga vertical y horizontal, la carga se aplica al pilote con un gato hidráulico, cargas en etapas y permite que ocurra el asentamiento, y este se mide por deformimetros.
Ataguías Las ataguías conocidas como tablestacas, conectadas o semiconectadas se usas para construir muros continuos de estructura costera. Comúnmente usados los de madera, concreto prefabricado y de acero, ay algunos de aluminio. Los de madera se usan arriba del agua freática.
Tipos de ataguías Ataguías de tierra
Ataguías mixtas (tierra y tablestacas)
Ataguías de hormigón (gravedad o bóveda)
Ataguías de gaviones
Ataguías por congelación del suelo
Casos especiales ( en suelo rocoso, cursos aguas corrientosos)
Ataguías de metálicas simples)
escollera
y
tablestacas (cortinas
La elección de estos esta condicionada a la altura de contención, naturaleza suelo, espacio, curso de aguas y condiciones locales. Recibe el nombre de ataguía a una estructura generalmente temporal que sirve para contener o desviar las aguas de un espacio donde se construye o para contener las tierras mientras se hace una excavación , especialmente ocupadas en puentes, muelles , presas, en donde se desea trabajar en seco.
Ataguias de tierra: Cuando se dispone de materiales suficientes y materiales adecuados, puede ser economico el empleo de ataguas de tierra, materiales libres de tierra vegetal y compactar para lograr impermeabilidad y estabilidad con talud 1, 5 a 2 y con corona la mitad de la altura de la ataguia.
Ataguías de maderas: Es el tipo mas común que se empleara es el de tablones horizontales sostenidos por postes o pilotes redondos de madera. El espació depende depende del empujé del terraplén y espesor tablones. Apoyados en varios puntos con cargas uniformes dadas por materiales de relleno
Conclusión El diseño de la cimentación de un puente requiere de una cuidadosa evaluación
de
aspectos
topográficos,
hidrológicos,
hidráulicos,
estructurales y geotécnicos. Por lo que la fundación debe ser diseñada por un equipo de ingenieros con experiencia en diseño hidráulico, estructural y geotécnico. Por lo que se entrega seguridad a los usuarios de dicha obra.
una estabilidad y
Bibliografía
Principios de ingeniería de cimentaciones , 4ta edición, Braja M das
Ingeniería BIO SUR, agotamiento de napas subterráneas.
Mecánica de suelos, escrito por Carlos crespo villalaz , pag. 549.
http://es.scribd.com/doc/94989938/FUNDACIONES-PUENTES
http://es.scribd.com/doc/32274235/cimentacionespuentes
