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:
a. Nº
1: El nivel freático se sitúa por encima del nivel de cimentación.
b. Nº
2: El nivel freático se sitúa al mismo nivel que la cimentación.
c. 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 Terzaghi 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.
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.
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:
·
Blog de D. Víctor Yepes (https://victoryepes.blogs.upv.es/)
·
https://structville.com/2021/08/effects-of-groundwater-table.html
·
Geotecnia Consultores
S.L.
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