El término clases de cimientos se refiere a las diferentes categorías de estructuras que sostienen edificaciones y obras de ingeniería.
En el contexto de la construcción de presas, los cimientos son los terrenos o formaciones rocosas que soportan la estructura.
Para puentes y edificios, los cimientos transmiten las cargas al suelo.
Existen tres clases generales: de placa, de pilotes y de machones o pilares, cada una con características específicas para garantizar la estabilidad.
clases de cimientos
Si se trata de la construcción de presas, por cimientos se entienden los terrenos o formaciones rocosas sobre los que han de descansar, mientras que, aplicado el término a puentes y edificios alude a una estructura encargada de transmitir las cargas a los suelos subyacentes. Los cimientos para puentes y edificaciones de todas clases se dividen en tres clases generales: de placa, de pilotes, y de machones o pilares.
Cimientos de placa o dispersión.
Distribuyen el peso de las estructuras y sus cargas sobre superficies subyacentes de amplitud suficiente para que no queden sobrecargadas. Las citadas superficies se denominan secciones de empuje o de apoyo y la carga que los suelos pueden soportar por unidad de superficie, en condiciones de seguridad, recibe el nombre de capacidad de resistencia. Este tipo de cimientos para columnas suele consistir en placas cuadradas de hormigón armado, según se indica en las figuras 1 (a) y 2 (f); si las cargas de las columnas son pequeñas, los pedestales lo son también proporcionalmente y sobresalen poco de los bordes de las mismas, según se puede apreciar por la figura 2 (b). A veces no requieren armadura alguna. También puede evitarse el arriostramiento mediante el empleo de cimientos escalonados, según indica la figura 2 (d). Estos cimientos, que construidos de manipostería de piedra fueron muy populares hace años, han sido sustituidos por los de hormigón armado.
Los cimientos de placa para muros consisten en losas de hormigón de amplias dimensiones que se apoyan en el terreno. Las placas rebasan ambas caras de las paredes lo bastante para proporcionar secciones de presión adecuadas entre el cimiento y el suelo, para que la carga pueda ser soportada por éste. En los cimientos de paredes para viviendas o edificios de poca altura la carga es reducida, por lo que pueden construirse de hormigón sin armadura, según puede apreciarse en la figura 2 (a). En la 2 (c) pueden verse cimientos más amplios y armados para poder soportar cargas más fuertes.
Cuando es pobre la capacidad de resistencia del terreno y éste ha de soportar cargas fuertes, suele cubrirse toda la superficie ocupada por el edificio con placas entramadas de hormigón armado, de espesores de 1,80 y más metros, como se indica en la figura 1 (b). donde puede apreciarse una porción de dicha placa. Este tipo de construcción puede ampliarse hasta formar todo un sótano de una pieza con sus paredes exteriores e interiores, una capa de hormigón en contacto con el terreno y finalmente el suelo, como se indica en la figura 3 (a). Esta construcción en forma de caja tendrá profundidad suficiente para que el peso de la tierra excavada equivalga al del edificio y su contenido de suerte que las cargas que soporte el terreno subyacente, después de construido el edificio, sean iguales a las que gravitaban sobre él antes de efectuar la excavación. El procedimiento elimina en gran parte el peligro de descenso o hundimiento. La figura 3 (4) muestra un tipo de construcción muy parecida en que las paredes interiores han sido sustituidas por columnas, construidas y armadas de tal forma que toda la edificación forma un conjunto único. La profundidad subterránea viene determinada por el volumen de excavación necesaria para equilibrar el peso del edificio. La excavación puede, en tales casos, proporcionar vastos pisos subterráneos muy adecuados, por ejemplo, para instalación de garajes. Estos basamentos reciben el nombre de cimientos flotantes. En las figuras mencionadas sólo se muestran las partes de edificación subterránea. Su elevado costo hace que se utilicen raramente.
Cimientos de pilotes.
Constan de delgadas pilastras verticales de madera, hormigón o acero, que distribuyen y transmiten las cargas aplicadas en sus cabezas al terreno circundante, según se indica en la figura 1 (c). Si se apoyan en terrenos blandos transmitirán las cargas a los depósitos subyacentes de arcillas firmes, arenas o cascajos (fig. 1 d), o a los aglomerados o lechos rocosos (fig. 1 e). Los pilotes van espaciados en tramos de 0,60 a 0,75 m y aun más y su longitud llega a rebasar los 30 m. Mientras que las cargas soportadas por los cimientos de dispersión se aplican directamente al terreno, las que sufren los pilotes pasan, por su mediación, al terreno circundante, sea conglomerado o lecho rocoso. Las cargas procedentes de las paredes, columnas o machones que se apoyen en los pilotes se reparten en las zonas superiores de los mismos mediante sombreretes, como indica la figura 4; las procedentes de las placas se distribuyen directamente sin elementos intermediarios.
Los pilotes de madera consisten de ordinario en troncos de árboles, sin ramas ni corteza, que se hincan en sentido invertido, con el extremo más delgado, llamado punta, hacia abajo y el más grueso, conocido por cabeza, hacia arriba. El diámetro de la punta no suele ser inferior a 15 cm y el de la cabeza rara vez es inferior a 30 cm. Los totalmente enterrados bajo el nivel de las aguas subterráneas se conservan indefinidamente, mientras que los situados por encima de las mismas requieren la ayuda de algún agente protector, generalmente creosota, para prolongar su duración.
Los pilotes de hormigón se construyen unas veces en moldes fuera del terreno y otras en el interior del mismo terreno, en que se introducen los moldes o encofrados de acero para su relleno ulterior. Los primeros se denominan pilotes prefabricados y los últimos fabricados «in situ». Los prefabricados se arman con acero, según muestra la figura 6 (a), para evitar que se agrieten durante la manipulación y aumentar al mismo tiempo su capacidad de resistencia. Se construyen en diámetros que varían de 15 a 60 cm y longitudes que a veces rebasan los 30 m. Los prefabricados suelen ser de sección cuadrangular u octogonal y bases paralelas apuntadas. Los fabricados in situ no van de ordinario reforzados, según puede apreciarse en la figura 6 (b) y (c). Son regla general, de sección circular y cónicos. Los pilotes de tipo Raymond se construyen en tres tramos; los de tipo Unión, en dos, según indican las figuras 6 (b) y 6 (c) respectivamente.
En algunos tipos de pilotes fabricados in situ, el encofrado o molde de acero se hinca en posición con su extremo inferior cerrado con punta también de acero. Luego se rellena el molde gradualmente y se retira, dejando sobre el terreno hormigón y punta, que forman el pilote.
Si se trata de pilotes de tubo, éste quedará definitivamente soterrado, según muestra la figura 7 (a), y se embute luego de hormigón. Para evitar la intrusión de tierra y piedras suele acoplarse una punta al extremo inferior del tubo. También pueden ir abiertos, en cuyo caso, una vez hincados, se extraerán de su interior las materias extrañas. Los pilotes de extremos abiertos suelen hincarse en lechos rocosos. Se han utilizado pilotes de tubo de hasta 60 cm de diámetro y de longitud superior a 35 metros.
Los pilotes de acero consisten en viguetas de este material, de sección en H, como puede apreciarse en la figura 7(b). Se emplean para atravesar depósitos de cascajos, que vedarían el paso a los demás tipos, o también para su apoyo en la roca. Todos ellos suelen clavarse con ayuda de martinetes accionados por vapor o motores de gasolina cuya acción consiste en descargar un peso consi-derable sobre la cabeza del pilote, elevarlo después y repetir la operación hasta que quede anclado en su posición. Existen diferentes clases de martinetes. También puede utilizarse con el mismo fin el inyector de agua, consistente en un pequeño tubo, adosado al pilote o alojado en un orificio axial que se dispone en el pilote al fabricarlo. El extremo inferior del tubo coincide en todo caso con la punta del pilote. El agua a presión descarga por la punta y arrastra los elementos componentes del terreno de forma que el pilote pueda ocupar el espacio liberado por el chorro. Para rematar la operación que acabamos de describir se utiliza una maza que obliga al pilote a incrustrarse firmemente en el terreno.
Machones de hormigón.
Suelen tener diámetros de 1 a 1,25 m, y aún más, y se emplean generalmente para soportar las columnas de edificios elevados, como se indica en las figuras 1 (g) y 1 (h), así como para sostener los estribos de los puentes. En este caso pueden ser huecos (fig. 1 f), ya que sus dimensiones exteriores vienen determinadas por la amplitud de los estribos más que por la magnitud de la carga a soportar. Los machones atraviesan los terrenos de poca estabilidad hasta encontrar lechos de cimentación satisfactorios. Éstos pueden estar constituidos por arcillas firmes, en cuyo caso se acampanan los pilares en la base, como se indica en la figura 1 (g), para aumentar la sección de apoyo, o bien por conglomerados que de ordinario requieren asimismo el acampanamiento o, finalmente, por la roca viva como se ilustra en la figura 1 (A). La estabilidad de los lechos de roca, si son sólidos, suele ser suficiente para soportar cualquier carga que les sea transmitida por los machones de hormigón, por lo que no requieren el acampanamiento de éstos. Entre los numerosos métodos existentes para la excavación de pozos de instalación de machones citaremos los más corrientes: el de entibación o encofrado vertical, el de tablestacas o ataguías, el del cajón abierto y el del cajón neumático. En definitiva, el método a seguir dependerá del medio en que hayan de instalarse los pilares (agua o tierra firme), la clase de los terrenos que han de traspasarse, la profundidad de las excavaciones, la clase y profundidad de los cimientos cercanos y otros muchos factores. El material más sencillo de excavar son las arcillas firmes, que resisten sin encofrados profundidades de 1,50 a 3 m y que además forman suelos impermeables que permiten continuar la excavación muy por debajo del nivel de las aguas subterráneas sin que las mismas afluyan al pozo, salvo en cantidades que puedan ser extraídas mediante bombeo.
Las tierras de conglomerados suelen proporcionar la misma ventaja, pero son de extracción más difícil. Las arenas saturadas ofrecen muy poca resistencia a la penetración de tablestacas y cajones de fundación, empleados en su excavación, pero exigen la puesta en práctica de medios especiales que eviten el desprendimiento de los terrenos contiguos y la penetración de las aguas. A menudo suelen encontrarse rocas sueltas que dificultan la excavación y muchas veces son de extracción difícil.
El método de entibación o encofrado, que muestra la figura 8, encuentra amplia aplicación en ciudades erigidas sobre depósitos arcillosos. Al comenzar el pozo, se lleva a efecto una excavación circular de 1 a 1,50 m de profundidad, como se indica en el (1) de la figura aludida. En las paredes internas se adosan tablones verticales que constituyen el llamado entibamiento o encofrado. Este debe acoplarse exactamente a las paredes excavadas, que han de ser perfectamente regulares, según se muestra en (2). Para soportar estas tablas se colocan, como se ve en la misma figura, dos fuertes aros o flejes de acero. Una vez concluido un nuevo tramo de excavación (3), se coloca un nuevo encofrado (4). El proceso continúa hasta alcanzar la profundidad deseada (fig. 1 g y 1 h). Como se ha manifestado antes, el fondo del machón se acampana si ha de apoyarse sobre arcillas firmes o conglomerados. En la figura se ve la excavación adecuada para el acampanado, que puede realizarse sobre estos terrenos sin necesidad de sujetarlos en previsión de hundimientos. Si ha de apoyarse sobre terrenos rocosos (fig. 1 h), no se acampana; a menos que la excavación intercepte venas de composición acuosa, las filtraciones pueden contrarrestarse mediante bombeo. Para taponar las venas citadas se utilizan procedimientos diversos.
Las excavaciones se llevan a cabo por obreros que trabajan dentro del pozo con herramientas especiales llamadas palas neumáticas. La tierra se saca a la superficie mediante cucharas. El procedimiento recibe el nombre de Chicago por ser en esta ciudad donde se puso en práctica. Una vez terminado el pozo, se llena de hormigón para formar el machón. Por este sistema se construyeron los cimientos de la torre del edificio Cleveland Union Terminal, que alcanzan profundidades de 80 m desde la altura de la calle y de 61 m desde el nivel de las aguas subterráneas, nivel que viene determinado por las del lago Erie situado a corta distancia.
Método de tablestacas o ataguías.
Está indicado en suelos de composición acuosa. Utiliza unas planchas o tablestacas que se introducen verticalmente en el terreno antes de comenzar la excavación (figs. 9 y 10). Las tablestacas pueden ser de acero laminado, madera u hormigón armado. Las juntas verticales construidas de forma especial son lo bastante herméticas para que el agua que se filtre a su través pueda extraerse con bombas de achique. Una vez hundidas parcialmente las tablestacas, comienza la excavación en su recinto, mas se detiene antes de llegar a su base a fin de que quede siempre la tierra suficiente para actuar de tapón y evitar la salida del agua en cantidades excesivas. Se procede luego a una mayor penetración de las tablestacas y se continúa la excavación con las mismas precauciones. Siempre que sea posible se prosigue hasta llegar a capas de arcilla u otros materiales impermeables a fin de conseguir un fondo hermético. Si la longitud de las tablestacas no fuera
suficiente para lograr la profundidad deseada, se acoplarán otras sobre las primitivas (fig. 10). Los pozos para machones destinados a soportar edificios suelen ser de sección circular (fig. 9) y de sección rectangular los destinados a mantener los estribos de puentes (figura 10). La excavación puede llenarse parcial o totalmente según se desee el machón. En la construcción de machones para puentes de ordinario sumergidos en el agua, la porción superior de las tablestacas se ve rodeada permanentemente de aquélla hasta un nivel próximo al remate.
Método de cajón abierto.
En su forma más sencilla, se reduce al uso del cajón cilindrico de acero de la figura 11. En la misma figura se indica la secuencia de las operaciones que comprenden las columnas 1 a 6 de la tableta inserta en la parte inferior. Encima de cada columna se inserta la operación correspondiente, que aquí seguiremos con algún detalle: 1) iniciación del pozo de arranque, cuyo fondo queda por encima del nivel de las aguas; 2) la primera sección del cajón se coloca o construye dentro del pozo; 3) comienzo de la excavación dentro del cajón, que se hunde por su propio peso y puede empalmarse en su parte superior con otros, si fuera necesario. Una vez traspasado el nivel de las aguas subterráneas, se continúa la operación mediante cucharas automáticas que descienden ha.sta el fondo, atravesando las aguas, y «recogen» una carga de tierra que elevan y descargan en la superficie. El nivel de las aguas dentro del cajón es el mismo que el del manto exterior; 4) si existieran estratos arcillosos, servirán de cierre estanco, una vez que el cajón haya alcanzado la profundidad su
ficiente. Si el lecho rocoso queda a distancia considerable del nivel superior de la arcilla, puede convenir clavar el machón sobre ésta. En tal caso se acampana el pozo para obtener una sección de apoyo más extensa (4a); si por el contrario, ha de apoyarse sobre roca, se continúa la excavación hasta alcanzarla (4b). En (4c) se muestra cómo se adapta el extremo inferior al lecho rocoso. Una vez cerrado el cajón por las capas arcillosas (4a) o la roca (4c), se extrae el agua mediante bombas; 5) se perfora un pozo de ensayo dentro del lecho rocoso para comprobar si se ha alcanzado roca sólida de espesor conveniente; 6) finalmente se construye el pilar rellenado el pozo con hormigón.
Este método tiene amplia aplicación en la construcción de machones para puentes. La figura 12 muestra un cajón abierto de hormigón armado para la construcción de esta clase de cimientos. Cuando los machones van en el agua, se construye una «isla de arena» que facilite los trabajos. En ella se inicia el pozo de arranque para proseguir la excavación en la forma descrita. No existe límite, de profundidad para las excavaciones llevadas a cabo por este método. Los cajones, ya sean cilindros de acero, madera u hormigón armado, quedan siempre formando parte integrante de los pilares. Las desventajas del cajón abierto estriban en que el fondo permanece lleno de agua durante la excavación y en el que el cierre de hormigón, indicado en 4 (c), ha de construirse debajo de aquélla.
Método de cajón neumático.
Se utiliza ampliamente en la excavación de pozos para machones destinados a sostener edificios y puentes. La figura 13 ilustra el procedimiento seguido para asentar un cajón de hormigón en la construcción de un pilar para edificios; 1) la porción inferior del mismo se construye in situ por encima del nivel de las aguas subterráneas, como se indica en (1). Consta de una cámara de trabajo, que comunica con la superficie por una chimenea; los obreros situados en la cámara excavan el suelo y los residuos se izan a la superficie por la chimenea. Según avanza la apertura del pozo se va hundiendo el cajón por su propio peso y va recibiendo el añadido de nuevas secciones; 2) cuando se alcanza el nivel de las aguas subterráneas, se acoplan esclusas neumáticas a la parte superior de la chimenea y se inyecta aire comprimido en el interior de la cámara de trabajo, manteniendo en ella la presión suficiente para impedir la entrada del agua. Los obreros continúan excavando la tierra, que se extrae ahora por las esclusas, en cucharas. Las esclusas están dispuestas en forma que las cucharas las atraviesan sin mengua de la presión. Ésta va en aumento a medida que el cajón se hunde al objeto de equilibrar la presión del agua, que también aumenta; 3) cuando el borde inferior, llamado arista cortante, alcanza el hecho rocoso, se procede a la extracción de toda la roca blanda. 4) los obreros abandonan la cámara, que se cierra con cemento a fin de anular la entrada del agua. Una vez endurecido el cierre, se elimina la presión de aire, se retiran las esclusas y se rellena la chimenea con hormigón hasta completar el pilar. El cajón permanece en su emplazamiento formando parte del machón. Las figuras 13 (b) y 13 (c) muestran otras formas de cajones neumáticos.
Los pilares de puentes se construyen de manera similar salvo que, al ser mucho mayores, requieren cajones más grandes y de diferente diseño. En ellos se instalan chimeneas y esclusas separadas para la extracción de materiales. El trabajo bajo la presión de aire a que se ven sometidos los obreros no produce efectos perjudiciales para su salud, siempre que se tomen las precauciones debidas. Las variaciones de presión, sin embargo, han de ser graduales y los relevos cortos, ya que de otro modo las consecuencias pueden ser graves. Este método no permite alcanzar profundidades superiores a los 35 m, pues la presión necesaria para evitar la penetración del agua a dicha profundidad es de 3,5 kg/cm2 y la experiencia ha demostrado que el organismo humano no puede soportar presiones superiores sin perjuicio para la salud. Este sistema fue utilizado en 1868 para la construcción de los cimientos del Eads Bridge sobre el río Misisipí a su paso por San Luis y en 1870 se empleó en el puente de Brooklyn. Desde entonces se ha extendido mucho su uso y se ha puesto en práctica en la construcción de puentes y edificios elevados, como los rascacielos de Nueva York.
Las ataguías son estructuras provisionales empleadas para desviar las aguas de los lugares donde han de realizarse trabajos de construcción. Aunque no suelen ser absolutamente impermeables, la filtración resulta pequeña, de modo que puede contrarrestarse debidamente con bombas de achique. Como los cimientos para puentes se construyen por lo general en zonas acuáticas y los terrestres alcanzan siempre niveles mucho más profundos que el de las aguas subterráneas, tanto en unos como en otros encuentran aplicación las ataguías. Las más comunes, con toda probabilidad son las metálicas descritas en el apartado concerniente al método de tablestacas.
Asientos
El descenso o hundimiento de los cimientos constituye uno de los mayores peligros que puedan acechar a edificios y puentes. Todas las estructuras cimentadas sobre tierra se hunden; no así las basadas en roca, salvo en el caso de ciertas clases de pizarras. La causa principal del fenómeno no es otra que la compresión del suelo bajo la carga que le transmiten las estructuras. La compresión se produce al apretarse los granos de tierra, con la consiguiente reducción de los espacios intermedios, llamados poros.
Si la tierra de asiento fuera arena, el grado de hundimiento será poco considerable, ya que el espacio ocupado por los poros, en un volumen de arena dado, es relativamente pequeño. Por otra parte, el hundimiento se producirá tan pronto como se aplique la carga, ya que el agua o el aire que ocupan los poros se verán expulsados con facilidad, sin oponer resistencia. Si se trata de construcciones fundamentadas en arenas sueltas, el grado de hundimiento puede aumentar con las vibraciones producidas por la maquinaria instalada en el edificio, las originadas por el tráfico rodado y otras causas. La vibración hace que la arena se densifique y, en consecuencia, reduzca su volumen.
Si el material de apoyo fuera arcilla, el grado del hundimiento será relativamente pronunciado, puesto que la porosidad de aquélla también lo es. El hundimiento será además prolongado, ya que los poros suelen estar ocupados por agua que, a causa de la impermeabilidad de la arcilla, la abandonará muy lentamente. Muchos de los edificios viejos del barrio Loop, de Chicago, cimentados sobre capas arcillosas, se han hundido alrededor de 30 cm y hasta, en un caso aislado, 0,80 m. En la ciudad de México y otras se han producido hundimientos muy graves. Para reducirlo se acude a los cimientos de pilote y, para eliminarlo por completo, al de contacto con la roca si el costo de construcción no lo hace prohibitivo.
