Resistencia del terreno – generalidades sobre cimentación

La parte del edificio que constituye la base del mismo y está debajo de la tierra, se denomina cimentación, que puede clasificarse en:

a)   Cimentación normal, y

b)    Cimentación artificial

Cimentación normal se dice cuando la base del muro o columna se asientan directamente sobre el terreno resistente, considerándose conveniente una profundidad no mayor de 2 mts.

Cimentación no artificial se denomina cuando estando el terreno resistente a una profundidad mayor de 2 mts. No es posible asentar directamente la cimentación sobre él, recurriéndose a algún sistema especial o artificial para alcanzar y utilizar el terreno resistente.

Dentro de la cimentación normal llamamos: cimientos corridos a los que constituyen la base de muros y cuya ejecución no se interrumpe caracterizándose por su uniformidad; y cimientos aislados a los que constituyen las bases de columnas, llamándosele zapatas.

El ancho del cimiento corrido, llamado simplemente cimiento, depende del cálculo, aunque para el suelo de grava de lima y trazándose de una vivienda hasta de dos pisos, hay valores empíricos, por ejemplo, 0.40 m. Para base de muros de cabeza. En cuanto a la altura se muestra por el calculo que es suficiente que sea igual al ancho, pero es necesario que el nivel de la cara inferior del cimiento esté por lo menos  a 1.00 m. Bajo el nivel del suelo para prevenir que las aguas superficiales como aniegos, riegos, etc. Modifiquen las condiciones de resistencia del terreno; de la misma manera el nivel de la cara superior del cimiento se llena hasta casi el nivel del suelo para evitar el mayor costo de encofrado en los sobre cimientos. (Fig. 9).

El sobre cimiento es la parte de la cimentación que va entre el cimiento y el muro, de allí su nombre; debe tener una altura tal que aleje la humedad del suelo, siendo a 0.30 m. Una altura conveniente para no aumentar el costo de encofrado. Su nivel superior puede coincidir con el nivel del falso piso, con el nivel del piso terminado o estar generalmente a unos 0.10 m. Del nivel del piso terminado; en caso de terrenos muy húmedos  es recomendable echar en la cara superior del sobre cimiento una capa de asfalto para evitar  que la humedad suba al muro, sobre todo si se teme la presencia del salitre. El ancho es igual al ancho del muro que va a soportar y se trazará sobre los cimientos. (Fig. 8).

Las zapatas hemos dicho que constituyen la base de las columnas y son de concreto armado cuando llevan una malla de fierro o parrilla; igualmente deben profundizarse hasta encontrar el terreno resistente pero no a menos de 1.00 m. Del nivel del suelo. Para comodidad del trazo de la columna y mantener la estabilidad de la parrilla se construye una sub-zapata con concreto pobre de 2” a 3” de espesor. Se excavará cuidadosamente la zona de la zapata para evitar la ejecución de encofrado lateral. (Fig. 10).

TERRENO

Cimentación, propiamente dicha, es la obra que media entre el terreno y los muros o entre terreno y estructura, según la naturaleza del edificio a construir. Prácticamente se puede cimentar en cualquier terreno siempre que se observen los procedimientos recomendados por las investigaciones, para dicha clase de terreno. Lo ideal, por lo rápido y económico, seria cimentar sobre roca, pero como la  mayoría de las veces esto no es posible, hay que adaptarse a las circunstancias del terreno, debiendo analizarse el comportamiento del mismo antes de comenzar una edificación.

El objeto de toda cimentación es transmitir el terreno todas las cargas y sobrecargas de un edificio. Esta claro que si el terreno fuese lo suficiente duro y firme, no harían falta cimientos, sino que sobre la misma rasante del terreno se podrían construir las paredes o estructuras. Pero como esto no sucede así generalmente, hay que buscar la manera de que estas cargas y sobrecargas asienten en una mayor superficie del terreno a fin de que a cada porción del suelo le corresponda menos peso que soportar, consiguiéndose, por tanto, una  menor fatiga del terreno.

Efectivamente el terreno cede  bajo la presión de una carga obligando a sus moléculas a que se modifiquen sus distancias y posiciones, produciéndose entonces una deformación, la cual será menor cuanto mayor sea la cohesión y dureza del terreno.

Cuando un cimiento se apoya, o mejor dicho, tiene como base un terreno compacto formado por capas de reconocido espesor, resistencia y extensión no hay peligro alguno para la estabilidad del edificio. Cuando el suelo no es compacto, pero está constituido por bancos de pequeña extensión y pequeña potencia, mientras los estratos o capas tengan un espesor constante, entonces se podrá cimentar con alguna tranquilidad; pero si por el contrario el terreno es comprensible y está formado por capas de espesor variable, entonces toda la cimentación está expuesta a un verdadero peligro.

CLASIFICACIÓN DE TERRENOS

En general  el terreno estará formado por varias capas supuestas de naturaleza y resistencia diferentes. Es el caso, pues, de averiguar si se dispone de una capa resistente, la profundidad a que se encuentra y el espesor (potencia) de la misma. Teniendo conocimiento de esto cuando se adopta tal o cual tipo de fundación más racional, segura y económica al mismo tiempo.

Los terrenos del punto de vista de fundación se dividen en dos grandes categorías:

Categoría A.- Terrenos incomprensibles o resistentes:

1) No socavables por el agua: piedra en general, tosca (formada por la mezcla de arcilla y caliza).

2) Socavables por el agua: arena, grava, arcilla, greda (formada por la mezcla de arcilla y arena).

Categoría B.- Terrenos compresibles:

Fango, tierra vegetal, de relleno, arenas de médanos (dunas) movibles por el viento, cieno, turba.

Los terrenos  de la categoría A, incompresibles y no socavables por el agua, son terrenos excelentes para las fundaciones de gran resistencia.

POZOS DE EXPLORACIÓN Y SONDEOS

Para cimentar convenientemente es necesario averiguar si se dispone de una capa resistente a qué profundidad se encuentra a cuál es el espesor o potencia de la misma, es decir, que se debe efectuar un estudio previo del terreno.

Cuando el terreno  firme se supone a poca profundidad se puede efectuar excavaciones para el conocimiento geológico del suelo. Esas excavaciones o pozos de exploración pueden hacerse de forma que un obrero trabaje con comodidad bastando, si son de sección rectangular, un largo de 1 a 1.50m. por un ancho de 0.60 a 0.70 m., y si son circulares un diámetro de 1.00 a 1.50 m.

Los sondeos son otro aspecto del reconocimiento del subsuelo, cuado por circunstancias del terreno hay que ir a ciertas profundidades. Operaciones en la cual con instrumentos apropiados se atraviesan las diferentes capas del terreno permitiendo la extracción de muestras.

Para profundidades hasta 5 metros y tratándose de terrenos de consistencia corriente, se usa la sonda de mano, que es manejada por un solo obrero. El equipo está formado por un trípode, el barrero penetra en el terreno por simple rotación ejecutada  a mano.

Para profundidades mayores de 5 metros se emplean barrenos accionados a motor. El extremo o punta del barreno adopta diferentes formas apropiadas para la resistencia de diversos terrenos, es decir, yendo desde suaves hasta compactos.

Las exploraciones y sondeos se harán preferentemente cerca de los lugares más cargados. Con la investigación debe determinarse no solo la profundidad a que se halla la capa resistente, sino también su espesor (potencias). Se necesita un espesor mínimo para cada terreno según su característica.

Para otra parte si tenemos un terreno de firmeza aparente pero que en su interior oculta bolsas como las de la figura 13 forzosamente tendrá que producirse la  catástrofe, o cuando menos grietas y fisuras peligrosas que más tarde o más temprano darán al traste con la estabilidad de la construcción sino se recurre a inyecciones y recalces, operaciones que generalmente podrán evitarse si desde el principio se observan las precauciones necesarias.

Para prever esta posible circunstancia, proponemos un sistema que podemos asegurar dá en la práctica óptimos resultados. El procedimiento se basa en una propiedad física que trataremos de explicar:

Si un cuerpo pesado cae en tierra con alguna violencia, la zona inmediata al choque percibirá una sacudida cuya será mayor cuanto menor sea la capacidad de resistencia del terreno a ensayar. Basándonos en este principio, un cubo lleno de agua y un pisón corriente nos ayudará a saber que con clase de terreno hemos de tratar, si el citado cubo lo depositamos en el suelo, una vez realizada la excavación y su alrededor apisonamos en el terreno repetidas veces con golpes bruscos y secos.

Si se trata (Fig. 11) de terreno compacto y duro, éste permanecerá inalterable y, por lo tanto, el agua continuará inmóvil; pero si por el contrario (Fig. 12), se trata de un terreno poco consistente y, más aún, si contuviera concavidades, la onda expansiva se transmitirá al cubo, y el agua se pondría en movimiento, al igual que cuando arrojamos una piedra a un estanque.

La siguiente tabla dá idea de la potencia conforme al terreno:

Clases de terrenos	Resistencia de trabajo Kg/cm2.	Potencia mínima de la capa m.
Terrenos buenos y resistentes Piedra Tosca Arcillas compactas y secas Grava, arena, compactas y secas Greda compacta y secas	De 20 a 30 Hasta 6 Hasta 3 Hasta 4 Hasta 3	1.0 1.0 1.5 1.5 1.5
Terrenos medianos Terrenos húmedos Arena (de aluvión) Arcilla flojas	Hasta 1.5 Hasta 1.0 De 1.0 a 1.5	2.0 2.0 2.0
Terrenos malos y compresibles Tierra vegetal Tierra de relleno Arena de médanos (dunas)	Hasta 0.70 Hasta 0.40 Hasta 0.50	- - -

RECONOCIMIENTO DEL TERRENO

A veces, a la cimentación de un edificio no se le concede la importancia que merece. Una obra no sólo se compone de materiales y la práctica diaria nos enseña que es posible ahorrarse una gran parte de ellos si realizamos con esmero la cimentación del edificio encomendamos. Es necesario estar alerta y reconocer el terreno en profundidad, especialmente en aquellos puntos en que se concentran las mayores cargas, pues a menudo se presentan estratos de terrenos, firmes por su naturaleza, pero de escaso espesor que cubren bolsas huecas o de resistencia nula, cuyo desconocimiento nos puede conducir a lamentables fracasos (Fig. 13).

De lo que se deduce que incluso cuando se va a cimentar sobre roca es preciso identificar el terreno, desenmascararlo para conseguir seguridad y firmeza en la construcción.

Reconocido el terreno es muy conveniente saber su resistencia para lo cual daremos oro procedimiento práctico llamado el “método de la mesa”

ENSAYO DE TERRENOS PARA FUNDACIONES

Método de la mesa.-  Se cava un pozo de 1.80 m. Por 1.80 m. O más de lado y de profundidad igual a la cota de fundación. Se aplana el piso del pozo, sin apisonarlo. En el fondo del mismo se cola una mesa robusta de 1.40 por 1 m. Y de 60 cm de altura, de cuatro patas de 71 por 71 mm. Por lado a fin de tener una superficie de contacto de 200 cm2. con el suelo. También se emplean mesas de tres patas. (Fig. 14).

La mesa se nivela prolijamente, teniendo a mano chapitas de hierro de 71 por 71 mm. Y 1 mm. De espesor que se colocan debajo de las patas para así conseguir la perfecta horizontalidad de la mesa. Al  costado de ella se clava una regla sobre al cual se marca con un lápiz la altura de la mesa.

Instalada así ella, se empieza a cargarla, con todo cuidado, con bolsas de cemento o bolsas de arena, previamente pesadas, distribuidas uniformemente sobre toda la mesa.

Se carga con  200 Kg. Y se deja así durante media hora. Si no se nota ningún hundimiento se agregan otros  200 Kg. Y se vuelve a esperar media hora. No acusando aún la mesa ningún hundimiento, se vuelve a cargarla con otros  200 Kg. Y así sucesivamente hasta producir un hundimiento de 2 a 3 mm. (que  se observa en regla).

Se divide la carga total por la superficie de las patas, o sea 200 cm2. y  este resultado se vuelve a dividir por 8 a 10 coeficiente de seguridad.

Si el terreno que ha de ocupar el edificio, es grande este ensayo se hará en 3 o4 puntos diferentes. Para terrenos chicos sería conveniente hacer dos ensayos, en lugares distintos.

Ejemplo:

Carga total: P = 2400 Kg.

Resistencia del terreno por ensayo:

Resistencia  especifica del terreno (o carga de trabajo):

     

Determinada la carga de trabajo del terreno se procede a investigar el espesor (potencia) de la carga ensayada.

Esta no debe tener un espesor menor de lo indicado en la tabla para la resistencia y clase de terrenos encontrados.

INFLUENCIA DEL AGUA EN LOS SUELOS

Las condiciones iniciales de un terreno pueden variar fundamentalmente en determinados casos, debido a la presencia de agua superficial o subterránea. Por otra parte la reacción del subsuelo a la acción sísmica, será en general, diferente, a igualdad de otras condiciones, según que esté sometido a la influencia del agua en el momento de ocurrir el sismo o bien haya permanecido seco antes y durante el desarrollo del fenómeno.

La formación del subsuelo se ha debido a la acción combinada sucesiva de diferentes fenómenos geológicos. De allí que los terrenos se presentan en la naturaleza constituidos generalmente por capas alternadas, más o menos horizontales, de diferente composición y permeabilidad.

Las aguas superficiales, que llegan a un terreno o caen sobre él, penetran en las capas permeables del suelo. Este escurrimiento vertical se detendrá al llegar al agua sobre una capa de suelo fino menos permeable o impermeable, especialmente sobre roca sana. El agua que se apoya en estas capas impermeables del subsuelo constituye lo que se denomina “napa subterránea”.

El nivel superior de la napa subterránea fluctúa de acuerdo con el caudal que recibe o con su permeabilidad. Durante las distintas estaciones del año pueden presentarse variaciones de dicho nivel.

Esta circunstancia debe tenerse en cuenta para el sistema de la cimentación pues al bajar de dicho nivel, se produce una compactación en el suelo que aún cuando es insignificante cada vez, con el tiempo puede tener una gran influencia, especialmente en los casos de una estructura pesada sobre el terreno.

Los “suelos orgánicos” deben su calidad de inestables, a la descomposición progresiva de las sustancias de origen vegetal que contienen, oxigenada por los agentes químicos del agua. Es po esto que la existencia de continuas variaciones facilita los procesos de descomposición y por consiguiente los agrietamientos del terreno.

En el caso de los “rellenos artificiales” (aquellos que han sido colocados y compactados o consolidados siguiendo procedimientos técnicos  especiales), las variaciones de humedad posteriores a su colocación influirán en sus propiedades más intensamente que en un terreno que en un terreno natural semejante. La influencia del agua es notable en el caso de utilización de pilotes de madera. Es bien sabido que muchas clases de madera tienen larga vida si se les conserva siempre en seco o siempre sumergidas pues el que se hallen alternativamente en una u otra situación produce la putrefacción. Muchos pilotes se clavan hasta el nivel del agua subterránea, por tanto, si varían ese nivel los pilotes quedan alternativamente  en seco o en agua y por consiguiente expuestos al deterioro.

Son frecuentes los trastornos en las cimentaciones a causa de la desecación de suelos arcillosos, ocurrido por descenso del nivel del agua subterránea. Parte de la ciudad de Montreal en Canadá es buen ejemplo de lo dicho.

Del mismo modo la hinchazón de la arcilla puede provocar accidentes.

Por consiguiente es parte necesaria de la exploración subterránea del lugar donde se va a cimentar, el tener en cuenta la posible acción del agua, ya exista o ya falte en el terreno donde se haya de construir.

Lo esencial consiste en mantener el terreno al nivel de la cimentación en las condiciones en que ha sido calculado, es decir, seco si la resistencia se calculó para terreno seco, ó húmedo si el cálculo de resistencia se efectuó para terreno húmedo.

RELLENO Y APISONADO

Los rellenos se presentan en muchos casos de la obra cuando se necesita llevar el terreno a sus niveles terminados según el proyecto.

El Reglamento General de Construcciones para la Provincia de Lima de las normas que transcribimos a continuación para rellenos: (Art. E-I-14):

Se harán rellenos en todos los lugares que los necesiten, siempre y cuando el volumen de lo rellenado, no sirva de base o apoyo a un elemento estructural que transmita cargas o presiones al suelo y sea, por tanto susceptible de asentamiento.

Así, deberán rellenarse los costados de zapatas, pero no sus bases, que en todo caso serán  rellenadas con un solado de concreto pobre. Como material de relleno podrá servir el excedente de excavación, siempre que esté limpio, carezca de materias orgánicas y otras de descomposición.

El material de relleno no deberá ser compresible y en lo posible será homogéneo.

Podrá utilizarse tierra que reúna las cualidades antes mencionadas o tierra con arena, u hormigón de río o canto rodado en caso que no haya material de relleno de excavación que cumpla con las condiciones indicadas.

En todo caso el material de relleno no será más suave que la tierra adyacente y será bien graduado. Mientras que los cimentos, tuberías o cualquier otro trabajo en excavaciones o bajo suelo no haya sido aprobado, no deberá hacerse ningún relleno.

Se quitarán las plantas, se extirparán las raíces y otras materias, asimismo las piedras grandes que no puedan ser fácilmente hundidas.

Para efectuar el trabajo, se verterá el material seleccionado hasta cubrir una capa de 30 cm. Como máximo.

Vaciada esta primera capa se apisionará fuertemente y regará abundantemente, hasta lograr que no se produzca hundimientos; se irá rellenando así en capas sucesivas de 30 cm. Dejando el volumen bien consolidado.

Para la ejecución de terraplenes, que pueden recibir encima calzadas, se emplearán capas sucesivas de no más de 20 cm, debidamente regadas y compactadas.

CUBICACIÓN DE CORTES Y RELLENOS

Con frecuencia se presenta la necesidad de cubicar  (computar), de antemano el corte o relleno de un terreno  muy irregular del punto de vista altimétrico, afín de que una vez efectuado el corte o relleno, presente un solo nivel en toda su superficie.

Para esto se puede recurrir al método rápido, de resultado aproximado.

Método rápido.- Vamos a suponer un terreno de 80 m. De frente por 120 m de fondo (véase fig. 15) cuyas características altimétricas quedan indicadas en la figura por medio de cotas con respecto a un plano de comparación cualquiera adoptado, por ej. El plano de sardinel de la vereda, al cual le asignamos la cota (0.00).

Se entiende que las cotas indicadas en l figura, fueron previamente determinadas por una nivelación, usando el nivel de anteojo o nivel de constructor (nivel de manguera) y miras, nivelando, desde luego, aquellos puntos del terreno que más interés presenten por su brusca elevación o depresión en relación entre sí. La exactitud de la cubicación es tanto mayor cuanto más puntos del terreno se nivelen, anotando en una libreta las cotas observadas.

Las cotas son positivas (+) para los puntos de terreno que están  por encima (más altos) del plano de comparación y son negativas (-) para aquellos que están de bajo de dicho plano. Las cotas negativas indican que en esos puntos habrá que terraplenar, para lo cual se usará la tierra excavada, obteniéndose así una compensación en la excavación y en la extracción de la tierra cavada.

Efectuada la velación, se suman las cotas positivas y las negativas. Se retan entre sí y el resultad se divide entre el número total de puntos nivelados. Se obtendrá así una sola cota medida, que multiplicada por la superficie del terreno, dará el volumen aproximado de tierra a excavar (si la resta de la suma diera un resultado negativo significaría un relleno y no un corte).

En nuestro caso tenemos 51 puntos nivelados, de estos 43 puntos son más bajos. La suma de las 43 cotas positivas es igual a 28.06 m. Y de las 8 cotas negativas es igual a 2.93m la diferencia d ambas sumas es de 25.13 m., que divida entre los 51 puntos nivelados, da una cuota media positiva de altura 0.49274 m.

El volumen de tierra a cortar  seria aproximadamente de 80 m x 120 m x 0.49274 m. = 4730.30 m3 para dejar el terreno al plano del nivel del sardinel de la vereda. Si la suma de las cotas negativas fuera mayor que las cotas positivas, significaría que en vez de cortar habría que rellenar con tierra traída de afuera.