¿CÓMO DISEÑAR CIMENTACIONES SUPERFICIALES SUJETAS A CARGAS LATERALES TRANSITORIAS (LEVANTAMIENTO)?

Las cargas de levantamiento se presentan cuando las fuerzas que actúan sobre una estructura son capaces de levantarla, lo que puede provocar un fallo en la cimentación y comprometer la estabilidad de la estructura. Algunos ejemplos de estructuras que están sometidas a cargas de levantamiento incluyen:

Para proporcionar resistencia al levantamiento, a menudo se prefieren las cimentaciones superficiales a los cimientos de pilotes, ya que su diseño es relativamente más simple; además, su construcción no requiere plataformas de perforación especializadas ni investigaciones geotécnicas profundas. Es especialmente importante en áreas donde el acceso de plataformas y equipos pesados no es posible o no se justifica económicamente.

El levantamiento de una cimentación extendida es resistido por su propio peso, las sobrecargas del terreno y las fuerzas de corte en el suelo. La cimentación superficial sujeta a levantamiento puede fallar en modos claramente diferentes (IEEE 2001), que pueden depender de:

Se pueden identificar dos modos de falla principales en el levantamiento (Kulhawy et al. 2003; Pacheco et al. 2008), uno para cimentaciones superficiales y otro para cimentaciones profundas. Para el primero, el más comúnmente usado, puede ocurrir un patrón de corte vertical o una falla de cono/cuña a lo largo de planos inclinados; para este último, podría ocurrir un tipo de falla por perforación por encima de la cimentación.

De acuerdo con la Guía IEEE (2001), en algunos casos pueden ocurrir variaciones del mecanismo antes mencionado; para suelos rígidos con relleno bien compactado, se puede desarrollar una falla combinada de corte vertical y cono/cuña. Mientras que para cimentaciones profundas y con relleno relativamente suelto, cuando el cortante vertical es mayor que la capacidad portante hacia arriba del relleno, es posible que falle por punzonamiento o capacidad de carga. El modelo de capacidad de levantamiento generalizado, presentado en la Fig. 1, muestra la posible combinación de falla (Bogusz, 2016).

La guía IEEE (2001) distingue cuatro categorías de métodos que se pueden utilizar, cada uno con algunas limitaciones:

El modelo de equilibrio analítico más simple (Kulhawy et al. 2003) asume las líneas de corte verticales. En la forma más básica, la capacidad de levantamiento total, Qu, en modo de corte vertical se puede evaluar (Guía IEEE 2001) como se muestra en la Ecuación 1.

Desde el punto de vista geotécnico, la construcción de una cimentación sometida a levantamiento no tiene por qué diferir de la que resiste únicamente compresión. El procedimiento de construcción puede promover un mecanismo de falla previsible y específico, es decir, falla por cortante en el relleno para una excavación inclinada de gran tamaño, o falla por cortante en el suelo nativo en el caso de una excavación vertical limpia con un socavado.

En la mayoría de los casos, la cimentación superficial sometida a levantamiento fallará por cortante vertical, ya sea cilíndrico o rectangular, dependiendo de la forma de la base. La diferencia de parámetros entre el suelo nativo y el relleno jugará un papel significativo en la resistencia lateral; la resistencia al levantamiento podría depender en gran medida de la compactación del relleno. Cuanto más débil sea el relleno y el suelo nativo controlarán la resistencia, ya que por lo general no hay reducción de la resistencia al corte en la interfaz entre ambos suelos.

La superficie de falla alcanza el nivel del suelo en modo superficial y la resistencia la proporciona solo la base de la cimentación; mientras que, en modo profundo, el fuste de la cimentación puede proporcionar una resistencia adicional (Fig. 2). La falla de la cimentación se rige por la menor de las resistencias de levantamiento para el modo somero y profundo. Con base en esto, se puede hacer una distinción simple entre ambos modos mediante la identificación de la profundidad crítica a la que cambia el modo de falla. Pacheco et al. (2008) sugirieron que la profundidad crítica no es menor a dos veces el diámetro o el ancho de la cimentación; por lo tanto, típicamente para los soportes de las líneas eléctricas aéreas, la falla ocurrirá en modo superficial.

Las diferencias significativas en el procedimiento de cálculo de resistencia pueden resultar de las propiedades del suelo. En primer lugar, el modo de falla dependerá de la resistencia del suelo. En el caso del enfoque analítico, basado en el modelo de equilibrio básico, si el suelo es de grano fino (cohesivo), debe hacerse una distinción entre la resistencia a corto plazo y a largo plazo (drenado, regido por los parámetros efectivos de resistencia al corte). Dado que las condiciones de carga más desfavorables generalmente serán el resultado de acciones variables (es decir, la carga del viento), una resistencia a corto plazo guiará el diseño para suelos de grano fino. Naturalmente, los parámetros de resistencia al corte tendrán un impacto directo en el valor de la resistencia al corte a lo largo de la superficie de corte vertical.

Para los métodos analíticos de estimación de la resistencia al levantamiento de una cimentación superficial, un coeficiente de esfuerzos horizontal juega un papel importante en el cálculo de la resistencia lateral. Según la guía IEEE (2001), puede variar desde el valor igual a Ka para suelo nativo con relleno suelto, hasta el valor superior a 1,00 para relleno bien compactado. Para suelos normalmente consolidados, se puede asumir conservadoramente un valor de K0 = 1 – sin φ’ en condiciones a largo plazo. Se debe prestar especial atención a la elección de este parámetro, ya que puede variar significativamente en las condiciones in situ debido al procedimiento de construcción, la perturbación del suelo y el efecto de la compactación del relleno.

Cuando no es posible realizar cimentaciones profundas como base de una estructura sujeta a cargas de levantamiento, el acceso de plataformas y equipos pesados no es posible o no se justifica económicamente podemos recurrir al mejoramiento de suelos.

Las columnas de grava compactadas con sistemas Geopier® pueden ser construidas y diseñadas especialmente para soportar cargas de levantamiento, se instalan anclajes de acero en el fondo de las columnas de grava para resistir dichas cargas (Fig. 3) y el cálculo de la resistencia al levantamiento asume la formación de una superficie de dalla cilíndrica en el perímetro del elemento.

Otros métodos de mejoramiento de suelos más comunes incluyen:

Es importante tener en cuenta que cada técnica de mejoramiento del suelo tiene ventajas y desventajas y debe ser evaluada cuidadosamente antes de su aplicación. Además, es importante contar con un ingeniero geotécnico para evaluar el suelo y determinar la técnica de mejoramiento adecuada para cada situación específica.