Ingeniería de Cimentaciones: Conceptos Esenciales, Tipologías y Elementos de Contención

T.6 Cimentaciones: Fundamentos de Diseño e Ingeniería

1. Terminología Esencial en Cimentaciones

• Superficie de cimentación: Área total a través de la cual la cimentación transmite cargas al terreno.
• Terreno de cimentación: Porción del suelo que soporta las cargas transmitidas por la cimentación.
• Hormigón de limpieza: Capa delgada de hormigón de baja resistencia que se vierte sobre el terreno excavado para nivelar la superficie y proteger la cimentación de la humedad y contaminantes del suelo antes de su ejecución.
• Firme: Base resistente y estable, generalmente compactada o tratada, preparada para soportar la estructura de cimentación.
• Profundidad de la cimentación: Distancia vertical desde la superficie del terreno natural o de la rasante final hasta la base de la cimentación.
• Profundidad activa: Límite hasta donde las cargas transmitidas por la cimentación afectan significativamente al terreno, provocando deformaciones o cambios en sus propiedades.

2. Transmisión de Cargas y Distribución de Presiones según el Plano de Apoyo

La forma en que las cargas se distribuyen desde la cimentación al terreno varía significativamente según la rigidez de la zapata y las características del suelo.

2.1. Zapata Rígida

En una zapata rígida, la distribución de presiones bajo la base no es uniforme y depende del tipo de suelo:

• Suelo cohesivo (arcillas, limos): La presión tiende a concentrarse en los bordes de la zapata, disminuyendo hacia el centro.
• Suelo sin cohesión (arenas, gravas): La presión se concentra en el centro de la zapata, disminuyendo hacia los bordes.

2.2. Zapata Flexible

En una zapata flexible, la deformación de la zapata se adapta a la deformación del terreno, buscando una distribución de presiones más uniforme:

• Suelo cohesivo: La presión tiende a ser más uniforme bajo toda la superficie de la zapata.
• Suelo sin cohesión: La presión también tiende a ser más uniforme, aunque puede haber ligeras concentraciones en el centro.

3. Clasificación de Cimentaciones

Las cimentaciones se clasifican principalmente en directas y profundas, además de incluir elementos de contención.

3.1. Cimentaciones Directas (Superficiales)

Son aquellas que transmiten las cargas al terreno a poca profundidad, directamente sobre un estrato resistente.

• Zapatas aisladas: Soportan un único pilar. Pueden ser:
  • Centradas: El pilar se ubica en el centro de la zapata.
  • Medianeras: El pilar se ubica en un borde, adyacente a una medianera o límite de propiedad.
  • De esquina: El pilar se ubica en una esquina, adyacente a dos límites de propiedad.
• Zapatas combinadas: Soportan dos o más pilares cercanos, fusionando sus zapatas individuales.
• Zapatas corridas: Soportan una línea continua de pilares o un muro de carga, distribuyendo la carga a lo largo de una franja.
• Pozos de cimentación: Excavaciones de gran diámetro que se rellenan con hormigón, utilizadas para pilares aislados o grupos reducidos, alcanzando estratos resistentes a profundidades moderadas.
• Emparrillados: Red de zapatas y vigas de cimentación interconectadas que distribuyen las cargas de pilares y/o muros sobre una superficie más amplia.
• Losas de cimentación: Placa continua de hormigón armado que soporta un conjunto de pilares o muros, distribuyendo la carga sobre toda la superficie del edificio. Son comunes en suelos de baja capacidad portante o cuando las zapatas individuales se solaparían.

3.2. Cimentaciones Profundas

Se utilizan cuando los estratos superficiales no son capaces de soportar las cargas de la estructura, transmitiendo estas a estratos más profundos y resistentes.

• Pilote aislado: Elemento esbelto que transmite la carga de un pilar o muro a un estrato profundo.
• Grupo de pilotes: Conjunto de pilotes interconectados por un encepado, trabajando conjuntamente para soportar una carga mayor.
• Zonas pilotadas: Áreas extensas donde se disponen pilotes de forma sistemática para mejorar la capacidad portante del terreno o reducir asientos.
• Micropilotes: Pilotes de pequeño diámetro (generalmente entre 11 y 35 cm), utilizados para recalce de estructuras existentes, refuerzo de cimentaciones o como elementos auxiliares en rehabilitaciones debido a su versatilidad y menor impacto.

3.3. Elementos de Contención

Aunque no son cimentaciones en sí mismas, a menudo se diseñan y construyen en conjunto con ellas para contener tierras o agua.

• Pantallas: Sistemas de contención de tierras formados por una superficie continua de material resistente (generalmente hormigón armado), ejecutadas in situ mediante excavación y hormigonado. Pueden ser:
  • Autoestables lisas: Se sostienen por su propio peso y rigidez.
  • Autoestables con contrafuertes: Reforzadas con elementos perpendiculares para mayor estabilidad.
  • Arriostradas acodaladas: Apoyadas temporal o permanentemente contra elementos internos de la excavación.
  • Arriostradas ancladas: Estabilizadas mediante anclajes al terreno.
  • Arriostradas mixtas: Combinación de diferentes sistemas de arriostramiento.
• Muros: Elementos estructurales que se construyen principalmente para delimitar espacios, soportar cargas verticales o contener tierras. Se clasifican:
  • Según el material: Bloque visto, ladrillo, hormigón armado, mampostería.
  • Según su concepto estructural para contención:
    • De gravedad: Estables por su propio peso.
    • En L (o en voladizo): Estables por la acción de la losa de cimentación y el peso del terreno sobre ella.
    • De contrafuertes: Reforzados con elementos transversales para aumentar su inercia.
    • Por bataches: Construidos por secciones alternas para mantener la estabilidad del terreno durante la excavación.

4. Tipos de Pilotes

Los pilotes se clasifican según su forma de trabajo, el material constitutivo y el procedimiento constructivo.

4.1. Según su Forma de Trabajo

• Por fuste o flotantes: Transmiten la mayor parte de la carga por rozamiento lateral (fuste) con el terreno circundante. Son comunes en suelos blandos o de capacidad portante variable.
• Por punta o columna: Transmiten la mayor parte de la carga por apoyo directo en un estrato resistente (roca o suelo muy denso) situado a mayor profundidad.

4.2. Según el Material

• Hormigón in situ: Pilotes ejecutados directamente en la obra, vertiendo hormigón en una perforación previamente realizada.
• Hormigón prefabricado: Pilotes fabricados en planta y luego transportados e hincados o vibrados en la obra.
• Acero: Pilotes metálicos (tubos, perfiles H) que se hincan o atornillan en el terreno, utilizados por su alta resistencia y facilidad de instalación en ciertos terrenos.

4.3. Según su Procedimiento Constructivo

• Prefabricados hincados: Pilotes prefabricados que se introducen en el terreno mediante golpes (hinca) o vibración.
• Hormigonados in situ: Pilotes que se construyen en el lugar, perforando el terreno y rellenando la perforación con hormigón (ej. pilotes de barrena continua, pilotes perforados con entubación recuperable).

5. El Encepado: Función y Diseño

El encepado es una pieza prismática de hormigón armado diseñada para unir las cabezas de un grupo de pilotes, asegurando que trabajen de manera conjunta y distribuyan eficazmente las cargas de la estructura sobre ellos. Su diseño es crucial para la correcta transmisión de esfuerzos y la estabilidad del conjunto pilote-estructura.