Los suelos y las cimentaciones

En obras de importancia y características especiales, y sobre todo, cuando es proyectada su construcción en terrenos cuyo subsuelo no es conocido, es obligatorio el estudio del suelo para cada caso en particular. No es prudente deducir la resistencia y comportamiento de un suelo a partir de las características de otro, aun cuando estén próximos entre sí.

A continuación se ofrece con propósito ilustrativo ciertas pautas indicativas del probable comportamiento de algunos tipos de suelos. Desde luego, no eximen de la obligatoriedad de contar, especialmente en los casos precedentemente indicados, con los correspondientes estudios de suelos.

Grava. Con excepción de las gravas pizarrosas, la grava es material apropiado para cimentaciones siempre y cuando subyacentes no existan estratos frágiles o blandos, ni esté expuesta a socavación la cimentación.

La grava tiene reducida o casi nula capilaridad; por tanto, no es probable que la presencia de agua subterránea, o su humedecimiento, sean causas de disminución de su resistencia ni origen de asentamientos.

Arena. No es prudente generalizar respecto al probable comportamiento y resistencia de las capas de arena, pues debido a causas ya expuestas, relacionadas con su formación, los suelos de esta naturaleza se encuentran en diverso estado de compacidad, además de tener variada granulometría. Si las arenas, medias y gruesas, son compactas y su granulometría es favorable tienen apropiada resistencia para sustentar estructuras. No ocurre lo mismo con las arenas muy finas, sobre todo si son sueltas, como es el caso de arenas cuyo origen es producto del transporte del viento (arenas eólicas). Las capas de arena suelta son muy susceptibles a densificarse por efecto de la vibración causada por movimientos sísmicos, pudiendo esperarse, eventualmente, asentamiento de la cimentación e indeseables efectos de carácter estructural.

Cuando se trate de este tipo de suelo, es preciso profundizar las excavaciones para cimentos y definitivamente limitar las presiones de contacto cimento – suelo. La razón de esta exigencia podemos percibirla cuando caminamos por la playa, la arena fluye a cada lado hundiéndose los pies; sin embargo, a cierta profundidad los pies no bajan ya más: la capacidad de carga ha aumentado. Lo mismo pasa con cimentaciones construidas a mayor profundidad.

La presencia de agua en suelos arenosos, especialmente cuando se trate de arenas finas sueltas, puede ser causa de marcada disminución de su resistencia en caso de ocurrencia de sismos y, eventualmente, origen del fenómeno de liquefacción, tal como ocurriera en algunas zonas de la ciudad de Chimbote en el terremoto de 1,970.

Limo. Es un suelo de partículas muy pequeñas, relativamente no es plástico y tiene capilaridad elevada. Cuando se encuentra en estado suelto su resistencia es pequeña; su presencia debe ser motivo de reserva por parte del diseñador y el constructor.

Arcilla. Es dura cuando está seca, pero su consolidación se produce lentamente. Cuando es humedecida se torna plástica y deformable, modificando su consistencia según el grado de humedecimiento que alcance; por lo tanto, en suelos arcillosos la alteración del contenido de agua en su masa juega importante rol en su comportamiento y resistencia.

El humedecimiento, que en algunos casos llega hasta la saturación, se produce de diversas maneras. Causas potenciales de humedecimiento son las lluvias y el aumento del caudal de los ríos y arroyos.

También los suelos pueden humedecerse por efecto de la capilaridad, es decir, por succión del agua que pudiera encontrarse en capas inferiores.

La succión es pequeña o casi nula en suelos granulares (arenas y gravas), pero suele ser grande en suelos arcillosos, ascendiendo el agua hasta alcanzar los cimientos de los edificios.

Suelos que contienen materia orgánica. Los suelos que contienen materia orgánica, la turba y el fango, definitivamente no son apropiados para cimentaciones.

Estas capas deben ser eliminadas durante la excavación, la misma que debe profundizarse hasta encontrar capas suficientemente resistentes. Los suelos de color marrón oscuro, gris oscuro o negro, o tengan olor característico, estructura esponjosa o fibrosa, corresponden a este inconveniente tipo de suelo. Desde luego, un suelo producto de rellenos tampoco es apropiado para cimentaciones.

Homogeneidad del subsuelo. Otra característica que también debe tenerse en cuenta en cimentaciones es la uniformidad del subsuelo. Cuando las capas subyacentes a la cimentación son suficientemente resistentes la condición es favorable: sin embargo, cuando una capa de comprobada resistencia para la cimentación prevista reposa sobre otra de menor resistencia la situación cambia sustancialmente.

A modo ilustrativo, veamos el caso de una zapata cimentada sobre una capa de arena y que debajo de esta se encuentre una de arcilla blanda (Fig. 1). La presión supuesta como admisible para la arena es transferida a la capa de arcilla blanda, la misma que fluye hacia los lados, lo probable es que se produzca el asentamiento de la zapata.

Fig. 1  A través de la masa de arena la presión ejercida por la zapata es transferida a la capa de arcilla empujándola a los lados produciendo, eventualmente, el humedecimiento de la zapata.

Por ello insistimos en que el aspecto de las capas superficiales no es suficiente para deducir con certeza el comportamiento de un determinado suelo. Es indispensable la exploración de las capas inferiores hasta la profundidad procede en cada caso.

3.4.8. Capacidad portante de los suelos. La capacidad portante o carga admisible de un determinado tipo de suelo es la presión máxima que puede aplicársele sin que se produzca la rotura de la masa situada debajo de cimientos.

Presión o intensidad de carga es la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie de contacto entre cimiento y suelo. La unidad que expresa la presión es el kg/cm² (kilogramo por centímetro cuadrado). Por ejemplo, si la carga que transmite al suelo una zapata es 60 toneladas y el área de la zapata es de 3 m², entonces la presión transmitida a la superficie de contacto entre zapata y suelo es:

Pues bien, la capa de suelo deberá ser capaz de soportar la presión aplicada (en este caso, 2 kg/cm²). Como podemos observar, la acción sobre el terreno no depende exclusivamente de la carga absoluta aplicada, sino también del área de contacto entre el cimiento y el suelo.

Las presiones admisibles varían sustancialmente según el suelo de que se trate. Es frecuente especificar 4 kg/cm² para conglomerados compactos y bien graduados.

A las mezclas de canto rodado y arena («hormigón») suele asignárseles valores de 3 a 4 kg/cm² como presiones admisibles.

La capacidad portante de las arenas gruesas y mezclas de arena y grava compactas es aproximadamente 2 kg/cm², mientras que para arenas finas la presión admisible es limitada a 1 kg/cm².

Las presiones admisibles de los suelos predominantemente arcillosos dependen de su grado de dureza. Sus valores fluctúan entre 1.5 kg/cm² en caso de arcillas inorgánicas duras y sin riesgo de humedecimiento, hasta valores muy bajos, 0.5 kg/cm², si se trata de arcillas inorgánicas blandas.

Una arcilla es dura cuando se parte con dificultad en terrones que no se pueden pulverizar o amasar fácilmente con los dedos. Una arcilla es firme o de consistencia media cuando se puede amasar, aunque con bastante esfuerzo.

Las arcillas blandas se pueden amasar con relativa facilidad, pero no tienen consistencia pastosa.

Arcillas de consistencia pastosa deben desecharse para cimentaciones. Otra manera práctica e indicativa de la consistencia o dureza de los suelos es el grado de dificultad que presentan al ser excavados. La lampa penetra con facilidad en suelos blandos, mientras que la excavación de suelos de dureza media requiere de pico. En suelos duros el pico rebota; puede penetrar, pero con esfuerzo.

Los valores de las presiones admisibles aquí expuestos son simplemente referenciales e ilustrativos. Pueden variar sustancialmente en cada caso en particular; desde luego, no se ofrecen para fines de diseño.

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