cimentaciones a las que se aumenta la carga: ideas preconcebidas sobre la tensión de preconsolidación debida a la carga inicial de la zapata

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En esto de la geotecnia se dice, se comenta… que cuando un terreno ha sido cargado previamente a una tensión X (la de servicio, pongamos, para un cimiento existente) y a posteriori, pasado el lapso de consolidación, aumentamos la carga de ese cimiento, podemos asumir una tensión de preconsolidación para el suelo equivalente al valor de la tensión de servicio del cimiento en cuestión (la de antes del incremento de carga) con independencia de cuales fueran las características iniciales del terreno.

Se me asemeja una idea intuitivamente muy coherente… pero a mí me da que no es correcta… me explico.

Como sabemos, tanto el valor de la tensión de preconsolidación del suelo como su resistencia dependen de dos tipos de procesos; el primero agrupa aquellos relacionados con el estado de tensiones del terreno, siendo el más significativo la sobrecarga efectiva a la que históricamente ha estado sometido el suelo, en función de la cual la estructura del mismo llega a un equilibrio con dicho estado de cargas mediante (en lo esencial) la correspondiente deformación por el asiento sobrevenido. El segundo tipo agrupa procesos que son algo más difíciles de verificar, e incluso de comprender, y que en líneas generales están en relación con los mecanismos de diagénesis que afectan al suelo y gracias a los cuales su estructura se “rigidiza”, adoptando una configuración que sería propia de un estado de cargas superior al que realmente ha soportado a lo largo de su historia; algunos de estos procesos son la cimentación por precipitación de sales, la oxidación de la materia orgánica, el lixiviado, la substitución de algunos compuestos químicos por otros, y una lista larguísima de fenómenos que transcurren en el tránsito que recorre el material desde que ha sedimentado y hasta que deviene una roca (si antes no lo erosionan, claro…)

Ambos tipos de procesos afectan al suelo de una forma, digamos, extensa… en el caso de la sobrecarga (las más de las veces litostática), la extensión de masas suprayacentes a un estrato determinado en el plano horizontal es tal que la deformación del suelo sometida a las mismas se asemeja al paradigma unidimensional, por lo que a lo largo y ancho de un plano horizontal su efecto puede considerarse constante. En el caso de los procesos diagenéticos, las variaciones en el grado de afección al terreno de un punto a otro distante en el orden de magnitud espacial que abarca el proyecto geotécnico es habitualmente poco apreciable.

En consecuencia, podemos simplificar en gran medida el análisis geotécnico mediante aseveraciones del tipo “el terreno se encuentra preconsolidado a una tensión de tal”, puesto que para el volumen de suelo que se encuentra solicitado por una cimentación y para un litotipo determinado, el valor de la tensión de preconsolidación o de su resistencia al corte varía poco (repito, esto es una simplificación, pero todos sabemos que se aplica en la mayoría de casos.)

Caso diferente es el de una preconsolidación inducida por un cimiento convencional (no hablo aquí de una precarga inducida por un terraplén o de una gran losa de cimentación.)

Adoptando un modelo simplificado como el de Boussinesq para un semiespacio infinito, el valor de la tensión de preconsolidación inducida por el terreno varía en gran medida con la profundidad y a la escala de la cimentación misma; si no somos puristas, podríamos asumir que realmente el suelo se habrá preconsolidado al valor de la tensión de servicio bajo la zapata y quizás en una profundidad equivalente a ¼ de su anchura, pero por debajo de esa profundidad y hasta tres o seis veces ese ancho (según fuera la geometría del cimiento) el valor de la tensión de preconsolidación “inducida” decrecería hasta ser nula. Obviamente, por debajo de la profundidad de influencia de la cimentación, el terreno estará en condiciones análogas a las que tuviera antes de su puesta en carga.

representación gráfica de la ecuación de Boussinesq

Como está claro, la mejora referida a la resistencia al corte del suelo seguirá el mismo patrón.

Esto puede parecer baladí… pero no lo es; cuando realizamos un cálculo de deformaciones por la recarga de una cimentación a partir del modelo edométrico, suponemos que el valor de la tensión de preconsolidación es constante en toda la profundidad de influencia del cimiento; así mismo, cuando determinamos el coeficiente de seguridad del cimiento respecto al hundimiento, suponemos la uniformidad de los parámetros resistentes de cada litotipo.

Por lo expuesto anteriormente, ni una cosa ni la otra se cumplen cuando la tensión de preconsolidación que se asume se debe a la carga de la cimentación.

En el mejor de los casos, si debemos apurar los cálculos (y conste que yo creo que siempre debemos apurar los cálculos… manías de cada cual) teniendo en cuenta la mejora inducida por la cimentación, para el cálculo de asientos debiéramos considerar como tensión de preconsolidación inducida por el cimiento un valor ponderado entre la tensión de servicio del cimiento (antes del incremento de carga) y la tensión en el límite de influencia en profundidad de la zapata, determinando el espesor del estrato compresible y valorando qué tensión induce el cimiento en el centro geométrico del mismo; resulta una aproximación burda, desde luego, pero cuanto menos sumamente más realista que valorar una tensión de preconsolidación equivalente a la presión de contacto del cimiento.

Con esta aproximación tal vez podemos mejorar nuestras expectativas en el cálculo de asientos, pero no acaba aquí nuestra labor de diseño, puesto que deberemos verificar que el coeficiente de seguridad del cimiento recargado respecto al estado límite último del suelo se mantiene en un entorno asumible conforme a las especificaciones a que deba estar sujeto el proyecto.

De momento, y hasta que el anejo nacional del Eurocódigo 7 no imponga el cálculo mediante coeficientes parciales (bendito sea, demasiado está tardando ya) esta cuestión podemos continuar simplificándola adoptando un coeficiente de seguridad único de 3 para la relación entre la resistencia del suelo y las acciones inducidas por el cimiento.

Dado que estamos hablando de suelos coherentes preconsolidados (bien podríamos hablar de suelos granulares preconsolidados, pero ni es el caso, ni para una situación plausible nos debería preocupar en esa situación todo este embrollo) lo normal será que tanto el orden de magnitud del aumento de la carga del cimiento sobre el terreno, como la velocidad de aplicación de la misma, provoquen un incremento de las presiones intersticiales suficiente como para que debamos también en este caso volver a determinar la resistencia del terreno en situación no drenada (que para la mayoría de los casos es la situación más desfavorable).

Recordemos ahora que la resistencia al corte no drenado de las arcillas normalmente consolidadas (como será el caso de toda arcilla consolidada bajo una zapata cuya tensión de servicio supere la tensión de preconsolidación inicial del suelo) es función de la tensión vertical efectiva a la que se encuentra el material.

Nos tentará, por tanto, considerar que el valor de la resistencia al corte no drenado esté también en este caso en relación con la tensión inicialmente transmitida por el cimiento antes del incremento de carga, y si para el caso del suelo virgen cuando se construyó el edificio hubiéramos de prever una cohesión no drenada inferior al valor de la tensión de servicio (no es habitual, pero puede pasar), con el suelo consolidado bajo el cimiento, tal vez pensemos que la resistencia al corte no drenado no será función de la tensión de preconsolidación inicial, si no de la presión de contacto entre el cimiento y el terreno, o sea, de la presunta presión de preconsolidación inducida por dicho cimiento (espero haberme explicado).

En tal caso, cometeremos dos errores… el primero, debido a que en la zona de falla que teóricamente puede movilizarse por hundimiento de la cimentación, el valor de la tensión que el cimiento transmite al terreno no es constante, puesto que (al igual que para el caso del asiento) dicho valor varía con la profundidad, y por lo tanto, la mejora de la resistencia al corte variará de igual forma.

El segundo error es aún más importante, y radica en que la geometría de la superficie de falla excede y de mucho el ámbito espacial del bulbo (creyéndonos lo de la aplicación de la teoría de la elasticidad a los suelos) al cual el cimiento transmite una carga, y por tanto, el terreno afectado por la superficie de falla definida por del desarrollo en tres dimensiones de la espiral logarítimica que propone el modelo de rotura de Prandtl mantiene el valor de la cohesión no drenada virgen más allá del perímetro del bulbo de influencia del cimiento.

geometría de la superficie de rotura bajo la cimentación, compárese con el bulbo de presiones del modelo de Boussinesq (me gustaría superponer los dos gráficos, pero seguro que ya véis el resultado.)

Visto lo visto, para el proyecto geotécnico en casos en los que se estudie un incremento de carga de un cimiento por cambio de uso de un edificio, de una remonta, o de un cambio estructural importante, deberemos ser algo más prudentes de lo que por lo general se dice si queremos realizar un análisis riguroso.

La pregunta ahora es obligada ¿porqué no pasa nada cuando hacemos caso omiso de todo este embrollo y tranquilamente consideramos como tensión de preconsolidación la tensión de servicio del cimiento antes del incremento de carga?

¿Tal vez para tan corto viaje no eran necesarias tantas alforjas?

… o no.
p.s. esta es la entrada 100 de este blog… imaginé que cuanto menos valía la pena contar algo diferente, algo que tal vez valiese la pena leer, discutir y contrastar… la verdad es que hacía una temporada que no trataba nada fundamental sobre mecánica de suelos… espero que el post tenga algo de interés; a mí es un tema que me ha dado que pensar después de asistir a una interesante jornada técnica de la ACE sobre recalces y cimentaciones en proyectos de rehabilitación a la que amablemente me invitó Juanjo Rosas.

Me dejo para la entrada 200 una discusión sobre el porqué creo yo que las resinas expansivas no son una solución al problema de expansividad de arcillas, si no todo lo contrario… o igual acabo la segunda parte del post sobre el coeficiente de rugosidad en el cálculo de las trayectorias de rebote de desprendimientos… o igual… no sé… ¿llegaré al post 200???

a todo esto… si habéis llegado hasta aquí (tanto en el post como en el blog), gracias.

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Una respuesta a cimentaciones a las que se aumenta la carga: ideas preconcebidas sobre la tensión de preconsolidación debida a la carga inicial de la zapata

  1. Gracias a ti frankie. Por estos 100 y los que vengan.

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