APUNTES GEOTECNIA VII. NIVEL FREÁTICO. CIMENTACIONES Y EXCAVACIÓN

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EN ESTE ARTÍCULO TRATAREMOS SOBRE LOS EFECTOS DEL NIVEL FREÁTICO EN LA CAPACIDAD PORTANTE DE SUELOS Y ACCIONES A TENER EN CUENTRA DURANTE LA EXCAVACIÓN DE LA CIMENTACIÓN

La capacidad portante es la máxima carga que un suelo puede soportar antes de sufrir una deformación excesiva y una falla final por corte.

Es bien sabido que la profundidad del nivel freático puede afectar la resistencia de los suelos granulares, pero un nivel freático alto no indica necesariamente que el suelo sea débil, como a veces se malinterpreta. Sin embargo, la presencia de aguas subterráneas en los suelos puede reducir la resistencia debido a que el agua afecta al peso unitario de los suelos y los parámetros de resistencia al corte (cohesión y ángulo de rozamiento).

Existen varias situaciones en función de la posición relativa del nivel freático y el nivel de cimentación que condicionan la capacidad portante de los suelos. Se muestran a continuación:

  1. Nº 1: El nivel freático se sitúa por encima del nivel de cimentación.
  2. Nº 2: El nivel freático se sitúa al mismo nivel que la cimentación.
  3. Nº 3: El nivel freático se sitúa por debajo del nivel de la cimentación.

Para cada uno de estos casos, se especifica la formulación emitida por Terzagui y desarrollada en su homónima teoría de la capacidad de carga.

En el diseño de zapatas o losas, la profundidad mínima por debajo de la base de la zapata o losa en la que no se espera que el nivel freático tenga un efecto sobre la capacidad portante, se establece en un valor igual al ancho de la zapata.

Cuando el nivel freático se encuentra por encima del nivel de cimentación (Situación Nº 1) o al mismo nivel y existen oscilaciones en el tiempo (Situación Nº 2), el peso específico saturado (y´) se considera igual al peso específico sumergido (ysum). Por tanto, de un valor para una arena limosa con algo de gravas de 2.10 T/m2 pasaría a 0.80-1.00 T/m2 disminuyendo considerablemente la capacidad portante del suelo.

Como profundidad de cimentación se suele tomar el empotramiento de la losa (se establece losa como opción más coherente en este tipo de situaciones ya que aporta una mayor estanqueidad para evitar que el agua penetre en la edificación).

De esta forma, analizando los distintos escenarios de posición relativa del nivel freático con el nivel de cimentación para un mismo suelo granular se establecen las siguientes tendencias:

  • Cuando el nivel freático se encuentra por encima del nivel de cimentación (en la misma rasante de la superficie del sector a estudio), la capacidad portante se reduce en un 50% aproximadamente.
  • Cuando el nivel freático se encuentra a la misma altura que el nivel de cimentación, la capacidad portante se reduce en un 20% aproximadamente.
  • Cuando el nivel freático se encuentra un metro por debajo del nivel de cimentación, la capacidad portante se reduce en un 10% aproximadamente.

 

CONDICIONANTES DURANTE LA EJECUCIÓN DE LA CIMENTACIÓN

Ya en el terreno de la ejecución de los elementos de cimentación, es importante hablar de dos efectos que se pueden generar a partir de la excavación en terrenos granulares con el nivel freático cercano al nivel de cimentación:

INESTABILIDAD DEL FONDO O SIFONAMIENTO

Cuando existe un flujo ascendente, un terreno granular no consolidado puede perder completamente su resistencia al corte y comportarse como un fluido (arenas movedizas, partículas sueltas, como en ebullición), por lo que al fenómeno también se le conoce como fluidificación. Ello ocurre cuando un incremento de la presión intersticial anula la presión efectiva o, dicho de otra forma, cuando las fuerzas producidas por la filtración superan el peso sumergido del suelo. Este fenómeno podría aparecer en el fondo de excavación de las zapatas-pozo.

Detalle. Esquema Sifonamiento

LEVANTAMIENTO DE FONDO O TAPONAZO (UPLIFT)

El fondo de la excavación se puede volver inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar al empuje del agua. Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca de baja permeabilidad sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado de mayor conductividad hidráulica (como una grava, muy permeable). Suele resolverse el problema con pozos de alivio.

Detalle. Esquema Levantamiento Fondo

Y en estos casos, se recomienda realizar un agotamiento o abatimiento en su caso. Implícitamente, se realiza el cálculo del caudal afluente a la excavación. Se presenta este cálculo a continuación:

ESTIMACION DEL CAUDAL AFLUENTE A LA EXCAVACIÓN

Alternativamente, y en caso de no optar por elevar la cota de cimentación o ejecución de pantalla continua, y teniendo en cuenta la ligera afección de la excavación por la presencia del nivel freático, será necesario su agotamiento. El abatimiento del nivel freático es la técnica mediante la cual se elimina el agua en una zona más o menos profunda del terreno por medio de la extracción continua de agua intersticial para que el perfil de la lámina freática se mantenga por debajo de la excavación a ejecutar.

A partir de la propia ley de Darcy, se puede obtener un valor estimado sobre el caudal a evacuar por bombeo para mantener la excavación en seco:

Donde,

Q, caudal afluente a la excavación

K, permeabilidad del terreno afectado.

I, gradiente hidráulico

S, superficie de fondo de excavación.

REFERENCIAS:

 

Este artículo ha sido desarrollado por:

JOSE ANTONIO BUENO MORENO

Licenciado en Ciencias Geológicas. Universidad de Granada

Master en Ingenieria Geológica. Ilustre Colegio de Geólogos de Andalucia.

jabm@geotecniaconsultores.com

 

Jose Antonio Bueno Moreno, cuenta con casi 20 años de experiencia en el área de la Geotecnia a nivel internacional y colabora en Geotecnia Consultores desde 2021

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