Cimentaciones para Sotanos Costeros
La construcción de sistemas de cimentación para estructuras pesadas y de múltiples pisos y sótanos, en planicies costeras con niveles freáticos altos y cercanas al mar, impone desafíos en la aplicación correcta de los principios y prácticas de la geotecnia. Una de las causas más importantes de estos desafíos es el manejo del nivel freático en medios granulares con alta permeabilidad que ocasionan fenómenos de subpresión en el fondo de las excavaciones y presiones laterales hidrostáticas en las paredes de las excavaciones para los sótanos. En esta presentación se tratarán algunas experiencias recientes con una variedad de tipos y combinaciones de cimentaciones, dependiendo (1) de las condiciones del perfil estratigráfico, (2) de la magnitud de las cargas que transmitirán las edificaciones y (3) del número de sótanos que se considerarán, entre otros, ya que los métodos tradicionales del abatimiento del nivel freático y la hinca de pilotes o tablestacas, no son muchas veces factibles debido a posibles alteraciones en el comportamiento de estructuras existentes cercanas. Se presentarán algunas tecnologías avanzadas relacionadas con el mejoramiento de suelos y la construcción de tapones de suelos mejorados con lechadas que permiten controlar la supresión causada por niveles freáticos altos, y así poder construir proyectos con sótanos y cargas estructurales altas. La construcción de sistemas de cimentación para estructuras pesadas y de múltiples pisos y sótanos, en planicies costeras con niveles freáticos altos y cercanas al mar, impone desafíos en la aplicación correcta de los principios y prácticas de la geotecnia. Una de las causas más importantes de estos desafíos es el manejo del nivel freático en medios granulares con alta permeabilidad que ocasionan fenómenos de subpresión en el fondo de las excavaciones y presiones laterales hidrostáticas en las paredes de las excavaciones para los sótanos. En esta presentación se tratarán algunas experiencias recientes con una variedad de tipos y combinaciones de cimentaciones, dependiendo (1) de las condiciones del perfil estratigráfico, (2) de la magnitud de las cargas que transmitirán las edificaciones y (3) del número de sótanos que se considerarán, entre otros, ya que los métodos tradicionales del abatimiento del nivel freático y la hinca de pilotes o tablestacas, no son muchas veces factibles debido a posibles alteraciones en el comportamiento de estructuras existentes cercanas. Se presentarán algunas tecnologías avanzadas relacionadas con el mejoramiento de suelos y la construcción de tapones de suelos mejorados con lechadas que permiten controlar la supresión causada por niveles freáticos altos, y así poder construir proyectos con sótanos y cargas estructurales altas.
TEMA CENTRAL 29 Control de la Subpresión. El problema de la subpresión hidrostática se genera en el momento que se inicia la excavación y cada vez que se profundice más, se vuelve más crítica. La razón se explica por el principio básico de vasos comunicantes: el agua al estar atrapada lateralmente en el perímetro de la excavación con las pantallas verticales va a fluir por el fondo de la excavación hacia arriba para alcanzar la elevación normal del nivel freático, dependiendo de la reducción del gradiente hidráulico que se genera con el empotramiento de la pantalla. Ahora, si nos adelantamos a los hechos y nos imaginamos que hemos construido una losa de concreto en el fondo de la excavación, esta losa va a impedir que el agua se filtre hacia arriba, para lo cual la losa deberá soportar la subpresión que se genera por la cabeza hidráulica que crea el NF adyacente al proyecto. Construir parqueaderos en los pisos inferiores de los edificios también llega a ser problemático desde el punto de vista arquitectónico y aprovechamiento de los espacios Si, por ejemplo, la cabeza hidráulica disponible es 10 metros (del orden de tres sótanos), entonces la subpresión en el fondo de la excavación que deberá soportar la supuesta losa de concreto será de 10 ton/m2 (¡esta presión es del orden de “diez veces más” que la presión que una losa de piso con carga viva normalmente le transmite al terreno o subrasante!). La magnitud de la subpresión es tal, que muchas veces cuando las estructuras son livianas o durante la etapa de la construcción cuando se alcanza el nivel de sótano, inmediatamente se necesitaría una losa de concreto muy robusta y pesada para que, con su peso propio, pueda balancear el efecto de la subpresión. También lo que se hace es instalar pilotes previamente, los mismos que se necesitan para soportar la edificación de múltiples pisos, de manera que queden empotrados y unidos a la losa de concreto para que por fricción los pilotes también absorban parte de la subpresión en conjunto con la losa. Esta losa estructural o tapón de fondo es muy importante construirla apropiadamente para primero, obtener el efecto “bañera” (o “bathtube” en inglés) de aislamiento del agua de la excavación, y segundo, unida a los pilotes de fundación de la estructura, controlar o mejor, anular la subpresión una vez se bombee el agua de la excavación (Figura 1 (c)). Figura 3. Perfil generalizado del subsuelo en el sureste de la Florida (Miami Beach y alrededores) Solución Geo Constructiva. La solución de cimentación para edificaciones con múltiples pisos, cercanas al mar y con NFs altos que se presenta en este artículo y que el autor ha sido testigo en los últimos cinco años de su implementación, se ha venido utilizando en los últimos 15 años en la región sureste del estado de la Florida (EE. UU.). En esta región del estado se desarrollan muchos de los proyectos de rascacielos importantes para oficinas y vivienda. La geología y perfil estratigrá-
30 SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS cementadas más resistentes; las primeras tres capas de esta formación pueden tener espesores independientes entre dos y doce metros. Los edificios más altos y pesados (más de 20-25 pisos) usualmente se pueden apoyar en pilotes en la última capa de roca caliza (esta si es roca coralina) a unos 40 metros o más de profundidad. Figura 4. Proceso de construcción del sistema bañera con tapón de suelo mezclado para controlar la subpresión; la foto de la derecha muestra la actividad de construcción del tapón de suelo mezclado desde la superficie del terreno. La metodología de construcción para obtener el efecto “bañera” de aislar el agua lateralmente y del fondo de la excavación para los sótanos y a su vez controlar o anular la subpresión antes de completar la excavación de los sótanos, es explicada por Hussin, Baquerizo y Cook (2019). El sistema constructivo consiste en los siguientes cuatro pasos, los cuales se ilustran en la Figura 4: ▶ Instalación del sistema de soporte lateral de la excavación y aislamiento del agua con Figura 5. Se observa el tapón con pilotes barrenados y la pantalla de tablestacas; Porsche Design Tower, Miami Beach, circa 2014 fico generalizado de la región se muestra en la Figura 3; en este perfil se destaca una capa superficial correspondiente a la formación Pamlico de arenas sueltas a medias donde se encuentra el NF, con espesores variables de hasta unos seis metros, subyacido usualmente por una capa de limos orgánicos y “peat” de uno a dos metros de espesor; esta capa en algunos sectores ha desaparecido y continua la formación Miami o caliza oolítica de unos ocho a nueve metros de espesor consistente de arenas algunas veces densas y cementadas con presencia de conchas marinas y con espesores de hasta nueve metros; a pesar de que esta formación se denomina roca caliza, usualmente no lo es, es mas bien una caliza granular; es en esta formación donde usualmente se apoyan pilotes para estructuras de hasta unos 15 pisos (Frizzi y Meyer, 2003). Continua en profundidad la formación Fort Thompson consistente de intercalaciones de arenas y calizas y arenas cementadas con rocas calizas y arenas Los edificios más altos y pesados (más de 20-25 pisos) usualmente se pueden apoyar en pilotes en la última capa de roca caliza (esta si es roca coralina) a unos 40 metros o más de profundidad
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Control de la Subpresión. El problema de la subpresión hidrostática se genera<br />
en el momento que se inicia la excavación y cada vez que se profundice más, se<br />
vuelve más crítica. La razón se explica por el principio básico de vasos comunicantes:<br />
el agua al estar atrapada lateralmente en el perímetro de la excavación con<br />
las pantallas verticales va a fluir por el fondo de la excavación hacia arriba <strong>para</strong><br />
alcanzar la elevación normal del nivel freático, dependiendo de la reducción del<br />
gradiente hidráulico que se genera con el empotramiento de la pantalla. Ahora, si<br />
nos adelantamos a los hechos y nos imaginamos que hemos construido una losa<br />
de concreto en el fondo de la excavación, esta losa va a impedir que el agua se<br />
filtre hacia arriba, <strong>para</strong> lo cual la losa deberá soportar la subpresión que se genera<br />
por la cabeza hidráulica que crea el NF adyacente al proyecto.<br />
Construir<br />
parqueaderos<br />
en los pisos<br />
inferiores de<br />
los edificios<br />
también llega a<br />
ser problemático<br />
desde el<br />
punto de vista<br />
arquitectónico y<br />
aprovechamiento<br />
de los espacios<br />
Si, por ejemplo, la cabeza hidráulica disponible es 10 metros (del orden de<br />
tres sótanos), entonces la subpresión en el fondo de la excavación que deberá<br />
soportar la supuesta losa de concreto será de 10 ton/m2 (¡esta presión es del orden<br />
de “diez veces más” que la presión que una losa de piso con carga viva normalmente<br />
le transmite al terreno o subrasante!). La magnitud de la subpresión es<br />
tal, que muchas veces cuando las estructuras son livianas o durante la etapa de<br />
la construcción cuando se alcanza el nivel de sótano, inmediatamente se necesitaría<br />
una losa de concreto muy robusta y pesada <strong>para</strong> que, con su peso propio,<br />
pueda balancear el efecto de la subpresión. También lo que se hace es instalar<br />
pilotes previamente, los mismos que se necesitan <strong>para</strong> soportar la edificación de<br />
múltiples pisos, de manera que queden empotrados y unidos a la losa de concreto<br />
<strong>para</strong> que por fricción los pilotes también<br />
absorban parte de la subpresión<br />
en conjunto con la losa.<br />
Esta losa estructural o tapón de<br />
fondo es muy importante construirla<br />
apropiadamente <strong>para</strong> primero, obtener<br />
el efecto “bañera” (o “bathtube”<br />
en inglés) de aislamiento del agua de<br />
la excavación, y segundo, unida a los<br />
pilotes de fundación de la estructura,<br />
controlar o mejor, anular la subpresión<br />
una vez se bombee el agua de la excavación<br />
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Figura 3. Perfil generalizado del subsuelo en el sureste de la Florida (Miami Beach y<br />
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Solución Geo Constructiva. La<br />
solución de cimentación <strong>para</strong> edificaciones<br />
con múltiples pisos, cercanas<br />
al mar y con NFs altos que se presenta<br />
en este artículo y que el autor ha sido<br />
testigo en los últimos cinco años de su<br />
implementación, se ha venido utilizando<br />
en los últimos 15 años en la región<br />
sureste del estado de la Florida (EE.<br />
UU.). En esta región del estado se desarrollan<br />
muchos de los proyectos de<br />
rascacielos importantes <strong>para</strong> oficinas y<br />
vivienda. La geología y perfil estratigrá-
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