CIMENTACIONES FLOTANTES: ¿QUÉ SON? ¿CÓMO FUNCIONAN?

Conoce los diferentes tipos de cimentaciones flotantes

By Ph.D. Carolina Hernández Valerio (Junio 2023).

Las cimentaciones flotantes, pueden dividirse en: cimentaciones sobre pilotes flotantes, cimentaciones sobre suelos mejorados o cimentaciones de cajón compensadas; estas, son un tipo de cimentación utilizado en ingeniería civil para soportar estructuras sobre suelos problemáticos o inestables. Estas cimentaciones se utilizan cuando el suelo de apoyo no es lo suficientemente resistente o estable para soportar la carga de la estructura de manera directa. En este blog te explicamos los principales aspectos de este tipo de cimentaciones.

También puedes leer:

Introducción a las cimentaciones flotantes

El término "flotante" se utiliza porque las estructuras no están apoyadas en cimientos rígidos o zapatas profundas, las cimentaciones flotantes se insertan en el suelo y se mantienen en posición mediante su fricción con el suelo circundante o mediante otros mecanismos de anclaje.

Las cimentaciones flotantes pueden ser una solución efectiva cuando se encuentran suelos con baja capacidad de carga, suelos expansivos o suelos con alto contenido de agua, donde se producen asentamientos diferenciales significativos o donde existe la posibilidad de deslizamiento del suelo.

Las cimentaciones flotantes son deseables para los siguientes tipos de suelos:

Suelos que tienen una buena resistencia al corte, pero tienen un problema de grandes asentamientos y asentamientos diferenciales bajo cargas pesadas. En este caso, una cimentación flotante puede reducir en mayor medida los valores de asentamiento.
Suelos que tienen una baja resistencia al corte donde no hay una capa dura de suelo a una profundidad razonable. Aquí, una cimentación flotante ayuda a reducir los esfuerzos cortantes a un nivel satisfactorio y se previene el asentamiento.

Es importante destacar que el diseño de una cimentación flotante debe realizarse cuidadosamente, teniendo en cuenta las características del suelo, las cargas de la estructura y los factores de seguridad requeridos. Además, es necesario llevar a cabo estudios geotécnicos detallados y análisis estructurales para determinar la ubicación, el tipo y la capacidad de carga de las cimentaciones flotantes necesarios para garantizar la estabilidad y la seguridad de la estructura.

Cimentaciones compensadas

Una cimentación compensada es un tipo de cimentación construida excavando el suelo de tal manera que el peso de la estructura construida sobre el suelo es casi igual al peso total del suelo excavado del suelo, incluido el peso del agua en el suelo antes de la construcción de la estructura (Figura 1).

Los problemas de diseño y construcción de cimientos flotantes consisten en problemas de excavación, descenso del agua, levantamiento del fondo, asentamiento y estructura (Mohsenian et al., 2011). La excavación para una cimentación flotante implica la eliminación completa de la presión original contra el suelo en el nivel de la base de la cimentación. Como consecuencia, el fondo de la excavación se eleva. Durante el período subsiguiente de construcción, el peso del edificio llega a ser igual y en ocasiones supera la presión de sobrecarga original; por lo tanto, el tirón desaparece y el edificio se asienta.

Si el edificio tiene un peso mayor que el suelo excavado, el asentamiento pasa por dos etapas. El primero dura hasta que la carga por unidad de área en la base de la cimentación sea igual a la presión de sobrecarga original, y el segundo comienza cuando se excede esta presión, es decir, recompresión y compresión virgen. La cantidad de levantamiento y asentamiento posterior depende de la naturaleza del subsuelo y la profundidad de la excavación.

Los cimientos flotantes están diseñados con los mismos principios, pero tienen una función adicional e importante, ya que utilizan el principio de flotación para reducir la carga neta sobre el suelo. De esta forma se reduce el asentamiento total de la cimentación y de ahí que también se reduzcan los asentamientos diferenciales. En vista de la distribución de la carga de la estructura sobre el área, los cimientos flotantes incluyen el establecimiento de cimientos compensados en profundidad que pueden ser soportados por muros de contención y también una combinación de losa de piso de sótano con paredes (cimiento de caja flotante).

En los cimientos de caja flotante o cajón de cimentación, la carga vertical se transfiere desde la estructura superior al sótano a través de los muros estructurales, y los momentos flectores máximos en la losa se utilizan para definir el refuerzo de esta losa, debido a las presiones de contacto, al igual que el diseño de la losa inferior, la losa superior está realmente reforzada para cargas debido al estacionamiento de automóviles o almacenamiento en almacén. Los cimientos flotantes permiten que la subestructura se utilice para diversos fines, como almacenamiento en almacenes o aparcamientos subterráneos. Esto requiere áreas de piso razonablemente grandes sin paredes o columnas poco espaciadas, y el piso generalmente consiste en una losa o losa y vigas de construcción bastante pesada para dar el grado requerido de rigidez.

Pilotes flotantes

Los pilotes son miembros estructurales de madera, concreto y/o acero que se utilizan para transmitir cargas superficiales a niveles más bajos en la masa del suelo. Esta transferencia puede ser por distribución vertical de la carga a lo largo del fuste del pilote o una aplicación directa de carga a un estrato inferior a través de la punta del pilote. La distribución vertical de la carga se realiza mediante un pilote de fricción (o flotante) y la aplicación directa de la carga se realiza mediante un pilote de punta o de punta (Figura 2). Esta distinción es puramente de conveniencia, ya que todos los pilotes soportan carga como una combinación de resistencia lateral y apoyo puntual, excepto cuando el pilote penetra en un suelo extremadamente blando hasta una base sólida.

Los pilotes flotantes son pilotes de fricción en un perfil de suelo de asentamiento. Estos pilotes solo movilizan una capacidad de carga final muy limitada. Debido a que los pilotes carecen de capacidad de carga por punta, se activará la fricción entre el eje del pilote y el suelo. Que esta fricción sea positiva o negativa depende del desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo.

Fellenius (1984), describió el mecanismo de carga de pilotes flotantes. Mencionó que la carga viva y la carga de arrastre no se combinan y que se deben considerar situaciones de carga separadas para el diseño de pilotes flotantes. Se puede hacer una distinción entre una combinación de carga muerta y carga de arrastre y carga muerta combinada con carga viva. Las cargas vivas reducirán la cantidad de carga de arrastre aplicada sobre el pilote, pero si se aplica durante un período de tiempo más largo, esta carga viva puede verse como una carga muerta y se sumará a la tensión máxima en el pilote. Los mecanismos que ocurren se describen en la Figura 3.

Figura 3 Zona neutral y de transición de un pilote flotante (Fellinius, 1998).

Fellenius también menciona que la carga de arrastre es causada por el desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo. Sin embargo, no genera liquidación por sí mismo. Un pilote flotante no se asentará más que la superficie del suelo o incluso el asentamiento del suelo en el plano neutral. Sin embargo, el plano neutral es variable, dependiendo de la cantidad de carga en la cabeza del pilote. El diseño de un pilote debe constar de tres aspectos separados: resistencia estructural del pilote, asentamiento y capacidad geotécnica.

Cimentaciones sobre suelos mejorados

Otro principio aplicable a las cimentaciones flotantes, son aquellas que se asientan sobre una capa de suelo mejorado, este suelo mejorado actúa como un aislante entre el suelo de baja resistencia y la subestructura. La profundidad y especificaciones técnicas del mejoramiento de suelos a utilizar va a depender de las condiciones del suelo, especificaciones de carga y geometría de la estructura y del presupuesto y plazo de entrega del proyecto. Dentro de las técnicas de mejoramiento de suelo que funcionan con el mecanismo de flotación se destacan las siguientes:

Sustitución de Material: La forma más directa de mejorar un terreno de mala calidad es sustituirlo. Sería el caso de suelos blandos, con baja resistencia, que presentan deformaciones diferidas importantes. Aparentemente se trata de una solución sencilla en terrenos blandos, pero puede ser problemática desde el punto de vista medioambiental debido a la cantidad de trabajos de excavación y movimiento de tierras necesarios. El proceso pasa por excavar y retirar una cantidad del terreno original; El material retirado se sustituye por la aportación de otro de mayor calidad que deberá ser compactado.

En otras ocasiones, se elimina parte del material y se sustituye por otro de menor peso para reducir la sobrecarga. Es el caso del uso de geoespumas de bloques de poliestireno expandido que se han utilizado en la rehabilitación de infraestructuras y en la construcción de carreteras y terraplenes.

Técnicas de mezclado soil mixing e inyecciones: El Soil Mixing es una mezcla mecánica que crea columnas de suelo mejoradas con cemento principalmente o cal. Las inyecciones introducen en los poros del suelo o fisuras de rocas a tratar un producto líquido que por lo general es un mortero o lechada de inyección, el cual se solidifica aumentando la resistencia a través del tiempo. El objetivo básico de este tratamiento es el de impermeabilizar o fortificar los suelos porosos tales como suelos granulares (gravas y arena), rocas fisuradas o fundaciones defectuosas, incrementando de este modo las propiedades resistentes y geohidráulicas.
Inclusiones rígidas: funcionan de la misma manera que los pilotes flotantes o de fricción, hacen referencia al uso de columnas semirígidas o rígidas en terreno blando para mejorar el rendimiento global de suelo mediante la disminución del asiento y el incremento de la resistencia. En el sentido amplio, las columnas de grava o pilotes de arena son un tipo de inclusiones rígidas. Sin embargo, son tratados por separado porque los materiales usados para esas columnas (arena, granulares o piedras) carecen de cohesión y las columnas no son capaces de mantener su forma sin soporte lateral. El método de las inclusiones rígidas es similar al uso de pilotes. Sin embargo, la resistencia y la rigidez de las inclusiones rígidas son generalmente mucho más pequeñas que los pilotes.
Columnas Reforzadas con Geosintéticos o Rellenos Pilotados: En este sistema, los pilotes o columnas se usan conjuntamente con una plataforma de transferencia de carga para soportar el terraplén. Los pilotes pueden ser pilotes de concreto, columnas de grava, o cualquier tipo de las inclusiones rígidas.

Figura 4 Enfoque americano para el diseño de terraplenes reforzados y piloteados (López et al., 2016).

Métodos de Mezclado de suelos: La mezcla de suelos con cemento, cal o aglutinantes es un método común de estabilización de suelos. Para los rellenos, la mezcla se puede hacer antes o después de la colocación con o sin compactación. Lo más frecuente es estabilizar los suelos mezclando in situ con cemento y/o cal utilizando una máquina especialmente diseñada para ello. Este método fue desarrollado en Japón y en los países escandinavos en 1970. El método ha sido denominado con diferentes nombres, pero el más conocido es “Deep Soil Mixing” (DSM).
Jet Grouting: El jet grouting es la sustitución parcial y/o mezclado del terreno con lechada por medio de la inyección de lechada a muy alta velocidad a través de pequeñas toberas laterales mientras se sube y se rota, con velocidad controlada, el varillaje de perforación (Armijo 2008). De esta forma se crean de manera controlada columnas de suelo-cemento.

Conclusiones

Dentro de los tipos de cimentaciones flotantes se encuentran los cajones de cimentación, en este tipo de cimentación es construida excavando el suelo de tal manera que el peso de la estructura construida sobre el suelo es casi igual al peso total del suelo excavado del suelo, incluido el peso del agua en el suelo antes de la construcción de la estructura.

Por su parte, los pilotes flotantes son pilotes de fricción en un perfil de suelo de asentamiento. Estos pilotes solo movilizan una capacidad de carga final muy limitada. Debido a que los pilotes carecen de capacidad de carga por punta, se activará la fricción entre el eje del pilote y el suelo. Que esta fricción sea positiva o negativa depende del desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo.

Finalmente, algunas técnicas de mejoramiento de suelo también pueden ser aplicadas por medio del principio de flotación, en este caso, este suelo mejorado actúa como un aislante entre el suelo de baja resistencia y la subestructura.

Referencias

Armijo, G. (2008). Jet Grouting. Curso sobre cimentaciones y mejora del terreno DRAGADOS-GEOCISA (no publicado). Bowles, J. E. (1988). Foundation analysis and design. Coronilla (2015). ESTUDIO DE LA MEJORA DE TERRENO MEDIANTE COLUMNAS SUELO-CEMENTO TIPO MIXPILE. Tesis de doctorado. Universidad de Málaga. Fellenius, B. H. (1998). Recent advances in the design of piles for axial loads, dragloads, downdrag, and settlement. In Proceedings of a Seminar by American Society of Civil Engineers, ASCE, and Port of New York and New Jersey (p. 8). López, M. J. M., Morales, S. A. M., Jarquín, M. R., Gómez, F. D. L., & Rodríguez, D. G. (2016). Enfoques analíticos para el diseño de terraplenes estructurales piloteados. SMIG. Mohsenian, S., Eslami, A., & Kasaee, A. (2011). Geotechnical aspects for design and performance of floating foundations. In Geo-Frontiers 2011: Advances in Geotechnical Engineering (pp. 56-65).