Comportamiento del Terreno: Asentamientos, Cimentaciones y Ensayos Geotécnicos

Tipos de Asentamiento del Terreno

Asiento Instantáneo o Elástico

• Corresponde al comportamiento elástico del terreno.
• Es proporcional al incremento de la carga aplicada.
• Existe una relación lineal entre la carga y el asiento.

Asiento por Consolidación Primaria

• Es un proceso de consolidación diferido en el tiempo hasta alcanzar el equilibrio de fuerzas.
• Se produce por un cambio de volumen del suelo debido a la expulsión de agua.
• Puede desarrollarse durante largos periodos de tiempo.

Asiento por Consolidación Secundaria

• También conocido como asiento por fluencia o reptación (creep).
• Ocurre a tensión efectiva constante.
• Es causado por la reorganización lenta de las partículas del suelo, la fluencia viscosa y la eliminación o degradación de materia orgánica.

Comportamiento de Suelos según su Naturaleza

Suelos Granulares

• Presentan una permeabilidad alta.
• El agua se moviliza rápidamente y las variaciones de volumen son instantáneas al aplicar la carga.
• La presión intersticial (u) es nula al finalizar la aplicación de la carga.
• No experimentan asientos diferidos por consolidación.
• Los asientos a corto plazo (CP) y a largo plazo (LP) coinciden.

Suelos Coherentes

• Tienen una permeabilidad baja.
• El movimiento del agua está limitado.
• Al aplicar una carga, se generan presiones intersticiales (u).
• El drenaje requiere mucho más tiempo en comparación con la velocidad de aplicación de la carga.
• Se producen procesos de consolidación, diferenciando entre el comportamiento a corto plazo (asientos instantáneos) y a largo plazo (asientos de consolidación).

Métodos de Cálculo de Asientos

Método Elástico

Este método se utiliza para calcular asientos instantáneos y, en algunos casos, de consolidación.

• Se basa en los parámetros elásticos del terreno (Módulo de Young y Coeficiente de Poisson).
• No relaciona los asientos con el tiempo.
• Permite estimar movimientos debidos a esfuerzos horizontales.

Teoría de Boussinesq

Se fundamenta en las siguientes hipótesis sobre el material:

• Proporcionalidad entre tensiones y deformaciones (válido en zonas alejadas de la rotura).
• El material es elástico y cumple la ley de Hooke, con el mismo coeficiente de elasticidad a compresión que a tracción.
• El material es homogéneo (propiedades constantes en el espacio).
• El material es isótropo (las propiedades no dependen de la dirección).

Aplicando el principio de superposición, se obtiene el estado tensional del terreno bajo una carga repartida. Para calcular el asiento, se integran los acortamientos de los puntos del terreno en su vertical.

Consideraciones del Método Elástico

• El asiento es proporcional al radio; por tanto, los asientos aumentan con el tamaño de las cimentaciones.
• Los asientos bajo la cimentación no son uniformes, aunque las cargas aplicadas en la superficie sí lo sean.
• En el caso de cargas repartidas, su distribución depende de la interacción tenso-deformacional entre la estructura y el terreno.

Coeficiente de Balasto (Modelo de Winkler)

Se utiliza para modelar la interacción suelo-estructura. Se define como el cociente entre la presión ejercida y el asiento esperado (P/A), o entre la rigidez del modelo de Winkler y el área del terreno. Sus unidades son de peso específico, creando una analogía de una cimentación flotando sobre un líquido.

• Se calcula una vez conocidos los asientos bajo la estructura.
• No es un parámetro intrínseco del terreno, ya que depende de las características de la cimentación.

Modelos y Obtención de Parámetros

• Modelo de capa elástica sobre base rígida: La formulación clásica es para un terreno de profundidad indefinida. En la realidad, es común encontrar un estrato de roca o un estrato deformable limitado por un estrato rígido (gravas o arenas), para lo cual se utiliza este modelo.
• Terrenos heterogéneos: Se pueden modelar con estratos horizontales y parámetros de elasticidad (E) y Poisson (V) equivalentes.
• Obtención del asiento elástico total: Se utilizan parámetros a largo plazo o efectivos (E' y V') obtenidos en campo o laboratorio, o a partir de resultados del ensayo edométrico (ej. en capas de arcillas confinadas).
• Obtención del asiento elástico inicial: Se emplean parámetros a corto plazo o no drenados (Eu y Vu), que son difíciles de determinar. A menudo se toman como referencia los parámetros a largo plazo.

Método Edométrico

Este método se aplica para calcular asientos diferidos o de consolidación, especialmente en suelos arcillosos blandos y saturados.

• Se basa en los resultados de ensayos edométricos.
• Permite estimar la evolución del asiento en el tiempo.
• No calcula los asientos instantáneos.
• Utiliza la curva de compresión del terreno (presiones vs. índice de poros) para obtener la relación tensión-deformación previsible del suelo.

Tipos de Cimentaciones y Pilotes

Cimentación Flotante

Es aquella en la que el peso de la estructura es igual o menor al peso del terreno excavado.

Clasificación de Pilotes Hincados (CPI)

CPI-2: Pilote de desplazamiento con azuche

• Tipo de trabajo: Principalmente por punta, apoyado en roca dura tras atravesar capas blandas. También por fuste y punta en suelos granulares medios o flojos, o en terrenos con capas alternadas coherentes y granulares.
• Procedimiento: Se hinca un tubo de acero con un azuche (punta cónica o plana) mediante golpeo. El hueco resultante se rellena con hormigón fresco y la armadura correspondiente.

CPI-3: Pilote de desplazamiento con tapón de gravas

• Tipo de trabajo: Principalmente por fuste en terrenos granulares de compacidad media o en terrenos con capas alternadas coherentes y granulares de cierta consistencia.
• Procedimiento: Se hinca una entubación sobre un tapón previo de gravas, arena u hormigón. El golpeo con una maza sobre el tapón arrastra la entubación. Al final, el tapón es desalojado, creando un ensanchamiento en la punta.

CPI-4: Pilote de extracción con entubación recuperable

• Tipo de trabajo: De poca profundidad, trabajando por punta apoyado en roca, o por fuste en terrenos coherentes de consistencia firme y homogénea.
• Procedimiento: Se introduce la entubación a medida que se excava. Luego se coloca la armadura y se vierte el hormigón, retirando la entubación progresivamente durante el hormigonado.

CPI-5: Pilote de extracción con camisa perdida

• Tipo de trabajo: Por punta apoyado en roca dura. Se utiliza siempre que se atraviesen capas de terreno incoherente fino en presencia de agua o flujo de agua, o si existen capas agresivas para el hormigón.
• Procedimiento: Se introduce la entubación (camisa) con la excavación, se coloca la armadura y se hormigona. La camisa se deja permanentemente para proteger el pilote.

CPI-6: Pilote perforado sin entubación con lodos tixotrópicos

• Tipo de trabajo: Por punta en roca dura, especialmente cuando se atraviesan capas blandas que no sufren desprendimientos gracias al efecto de los lodos.
• Procedimiento: Se realiza la perforación del pilote utilizando lodos para la contención de las paredes. Posteriormente, se introduce la armadura y se hormigona, recuperando los lodos.

CPI-7: Pilote barrenado sin entubación

• Tipo de trabajo: Por punta en terreno coherente, o por fuste en terreno coherente de consistencia firme y homogénea, o de consistencia media donde no se produzcan desprendimientos de las paredes.
• Procedimiento: Se realiza sin sostenimiento, cuidando la limpieza del fondo y las paredes antes de colocar las armaduras.

CPI-8: Pilote barrenado sin entubación, hormigonado por tubo central de la barrena (CFA)

• Tipo de trabajo: Por punta en roca dura, o por fuste y punta en terrenos con capas alternadas coherentes y granulares con consistencia.
• Procedimiento: Al alcanzar la profundidad deseada, se extrae la barrena (que retiene las tierras) mientras se hormigona a través de su tubo central. La armadura se introduce después del hormigonado.

Métodos para Determinar la Carga Admisible de Hundimiento

Basados en Modelos Estáticos

• Determinan el valor de la carga de hundimiento a partir de parámetros resistentes del suelo.
• Son formulaciones extrapoladas de las cimentaciones superficiales.
• Asumen un comportamiento rígido-plástico del terreno.
• Requieren determinar las propiedades del terreno con precisión (muestras inalteradas y ensayos de laboratorio).

Basados en Resultados de Ensayos de Campo

• SPT y ensayos dinámicos continuos: Presentan dificultades para obtener valores de resistencia estática.
• CPT (Ensayo de Penetración de Cono): Es muy útil, pero presenta problemas de escala (diferentes dimensiones entre el cono y el pilote) que se corrigen con base en la experiencia.
• Ensayos presiométricos: Son más exactos pero también más complicados de ejecutar e interpretar.
• Ensayos de carga de pilotes: Es el método más fiable, pero también el más costoso.

Consideraciones sobre la Resistencia de Pilotes

Resistencia por Punta

Depende de las características de los estratos en la zona de rotura del terreno, tanto por encima como por debajo del plano de contacto punta-terreno. La resistencia no solo se genera en la base del pilote, sino que también actúa en una longitud de varios diámetros. Según Meyerhof, la Zona de Afectación Superior (ZAS) es de 8 diámetros, la Zona de Afectación Inferior (ZAI) es de 3 diámetros y la Zona de Desarrollo de la Socavación (ZDS) es de 3 diámetros.

Pilotes de Desplazamiento vs. Pilotes de Extracción

• Ventajas de Desplazamiento: Limpieza en la ejecución, mejora del terreno (aumenta tensiones horizontales), densifica el material bajo la punta, no debilita el hormigón, requiere menos medios auxiliares.
• Desventajas de Desplazamiento: Pérdida de rugosidad, dificultad en arcillas saturadas.
• Ventajas de Extracción: Buena rugosidad (mayor resistencia por fuste), conserva el estado tensional original del terreno.

Ensayos y Métodos de Reconocimiento Geotécnico

Estudios Previos y Documentación

La fase de estudio puede dividirse en: informativo, previo, anteproyecto y proyecto.

Información Previa

• Descripción de la estructura geológica general y local.
• Secuencias de formaciones rocosas.
• Identificación de riesgos geotécnicos.
• Primera evaluación de la resistencia, deformabilidad y permeabilidad de las formaciones que afectarán a la cimentación.
• Datos hidrológicos (nivel freático, etc.).

Documentación Geológica y Cartográfica (DGC)

Incluye datos sobre climatología, topografía, geomorfología, estratigrafía general, tectónica y sismicidad. Se realiza un estudio de detalle zonificado con costes geológicos, columnas estratigráficas y grupos litológicos. Se consulta información del IGME (Instituto Geológico y Minero de España) como el mapa MAGNA, el mapa geológico, y el mapa de rocas y minerales industriales para conocer la naturaleza, distribución y relación de las unidades geológicas.

Ensayos de Laboratorio

Ensayo Triaxial

Es el ensayo más preciso para determinar parámetros de resistencia, deformación y permeabilidad en suelos cohesivos o granulares, con muestras alteradas o inalteradas.

• Prueba Lenta (CD - Consolidado Drenado): Para suelos granulares (en suelos finos puede durar semanas). Los esfuerzos aplicados son efectivos. Simula situaciones a largo plazo (LP).
• Prueba Rápida Consolidada (CU - Consolidado no Drenado): Se mide la presión intersticial (u) para determinar cohesión (c) y ángulo de rozamiento (φ) en términos totales y efectivos. Simula situaciones a largo plazo (LP).
• Prueba Rápida (UU - No Consolidado no Drenado): Para suelos cohesivos saturados. Los resultados se obtienen en términos totales. Con muestras inalteradas se obtiene la resistencia al corte no drenada (Su). Simula situaciones a corto plazo (CP).

Ensayo Edométrico

Se utiliza para el estudio de la consolidación de suelos arcillosos (especialmente blandos), reproduciendo una consolidación unidimensional. Permite obtener:

• Módulo edométrico (Em).
• Presión de preconsolidación (pc) y Razón de Sobreconsolidación (OCR).
• Índices de compresión, entumecimiento y consolidación para el cálculo de asientos.

Métodos de Prospección Geofísica

Son rápidos y de bajo coste, pero con incertidumbre en los resultados, por lo que deben complementarse con sondeos. Son útiles para grandes superficies.

• Sísmica de refracción: Determina el espesor de estratos (hasta 20-30 m), parámetros elásticos (E, G, v) y evalúa el riesgo sísmico.
• Propagación de ondas en sondeos (Down-hole, Cross-hole): Más caros que la sísmica. Alcanzan 30-50 m y proporcionan los mismos datos en configuraciones de estratos complejas. El cross-hole también permite verificar la integridad de pilotes.
• Geofísica eléctrica: Mide cambios de resistividad eléctrica del terreno para determinar espesor de estratos, posición del nivel freático y detectar cavidades o karsts.
• Georradar: Determina la potencia y profundidad de los estratos.

Métodos de Prospección Directa

Calicatas

Permiten la observación directa del terreno, toma de muestras y, a veces, ensayos in situ. Son de bajo coste y se usan para profundidades menores a 4 metros en terrenos con buena excavabilidad y ausencia de nivel freático. Son útiles en terrenos cohesivos o granulares donde sondeos de pequeño diámetro no son representativos. Se debe entibar para trabajos manuales.

Sondeos Mecánicos

Alcanzan mayor profundidad que las calicatas, pueden trabajar bajo el nivel freático y perforar rocas de alta resistencia. Permiten extraer muestras inalteradas, realizar pruebas de deformabilidad o resistencia in situ y determinar el índice de calidad de la roca (RQD).

• A percusión: Para suelos de consistencia blanda a media. Permite la toma de muestras inalteradas. Evitar en zonas urbanas.
• Helicoidal (Barrena): Para terrenos blandos o cohesivos sin roca, grava o capas cementadas. Proporciona muestras alteradas.
• A rotación con testigo continuo: Apto para cualquier terreno, siendo necesario en macizos rocosos. Ofrece muestras inalteradas y testigo continuo de forma rápida y económica.

Testificación de Sondeos

Consiste en la medida de parámetros dentro del sondeo, como la verticalidad, variaciones de diámetro, fotografías de las paredes, radiactividad, testificación eléctrica y temperatura.

Ensayos "In Situ"

Ensayos de Penetración Dinámica

• Dinámicos continuos: Se realizan con peso y altura de caída normalizados, para profundidades menores a 20 m. No deben utilizarse para el cálculo de la carga de hundimiento (qh) o asientos.
• SPT (Ensayo de Penetración Estándar): Se realiza en el fondo de un sondeo, principalmente en suelos granulares. Permite determinar la carga de hundimiento de cimentaciones, calcular asientos y extraer una muestra alterada.

Ensayo de Penetración Estática (CPT)

Se hinca un cono a velocidad constante. Es ideal para suelos cohesivos blandos y arenas finas sueltas. Permite medir la presión intersticial (u), determinar la resistencia no drenada (Su) de arcillas, diferenciar la resistencia por punta y fuste en cimentaciones profundas y estimar asientos.

Otros Ensayos

• Ensayo del Molinete (Vane Test): Mide la torsión para determinar la resistencia al corte no drenada (Cu) en suelos cohesivos blandos.
• Presiómetros (suelos) y Dilatómetros (rocas): Aptos para cualquier terreno. Caracterizan la deformabilidad y son útiles para el cálculo de pilotes cargados lateralmente y la carga de hundimiento (qh) y asientos.
• Ensayo de Placa de Carga: Se utiliza para el estudio de asientos y carga de hundimiento de cimentaciones superficiales (poco frecuente). También caracteriza rellenos y determina el coeficiente de balasto (k).