1. Capilaridad en aguas freáticas

Se conoce el proceso de capilaridad como el ascenso de un líquido por un

tubo capilar. Este tubo debe poseer diámetros pequeños. Si analizamos el

suelo como un conjunto de orificios de diámetro pequeño conectados entre

sí, podemos analizar el suelo como una red capilar de gran tamaño. Esto

permite la presencia de capilaridad para aguas freáticas.

Cuando el agua asciende por el tubo capilar, esta genera unos esfuerzos

de tensión en la parte superior del agua que está dentro del tubo. Esto se

explica teniendo como origen la presión atmosférica. Esta es la presión en

la superficie del agua (no dentro del agua capilar) debe ser cero. Si

bajamos en profundidad, las presiones van aumentando linealmente. Pero

si subimos desde la superficie de agua, hacia donde está el agua que subió

por capilaridad esta presenta esfuerzos de tensión. Esto genera que el

agua capilar produce esfuerzos de tensión, lo que genera la compresión del

suelo.

Se debe realizar una aclaración sobre el efecto de capilaridad en el suelo.

Como la capilaridad está definida como el ascenso del agua por un tubo

capilar que posee diámetro pequeño, el efecto de capilaridad en suelos solo

se presenta en suelos finos. En suelos con gravas gruesas, los orificios

entre las partículas son muy grandes para que se produzca la capilaridad.

Por eso para los constructores, los suelos gruesos son apetecidos en caso

de poseer niveles freáticos altos.

2. Problemas de capilaridad en la construcción

El proceso de capilaridad puede genera varios problemas en las

construcciones. Un problema es que al momento de que el agua sube

mediante capilaridad, humedece el suelo. Esto provoca la corrosión del

acero de refuerzo. Además de esto en casos que los niveles freáticos son

altos y suben por capilaridad, alcanzan a humedecer las paredes de la

edificación, produciendo problemas en los ladrillos de las edificaciones y en

los acabados de estas mismas.

Para solucionar estas problemáticas una solución es cambiar el suelo de

fundación por un suelo más grueso. Esto generaría que el proceso de

capilaridad no se diera y así los problemas se vieran solucionados. Otra

solución es la adición de aditivos al concreto para crear impermeabilidad

ante el agua. Aditivo como inclusores de aire o mortero para recubrir

estructuras (Sika 101) generan impermeabilidad a la estructura.

3. Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad

Si tenemos un suelo totalmente saturado, al agua hará que las partículas de

suelo se separen entre sí (Presión Hidrostática). Cuando el suelo se seca

ya sea por la evaporación generada por la radiación solar. De esta manera,

el nivel de agua baja, generando una presión capilar dentro del suelo lo que

produce unos esfuerzos de compresión en el suelo. El suelo en este

proceso pasa de presión hidrostática a un esfuerzo de tensión superficial.

Hay que tener en cuenta que para todo este proceso, el suelo debe ser fino

para que se produzca el fenómeno de capilaridad. El proceso de retracción

del suelo no se hace simultáneamente en toda la masa de suelo, debido a

que los poros del suelo no son del mismo tamaño, esto produce tubos

capilares de diferente diámetro. El agua baja más rápidamente por los

poros de mayor tamaño.

4. Muros de retención y el nivel freático

Los muros de retención son usados en la ingeniería civil para contener

tierra confinada a un espacio sin que este se derrumbe. Para el diseño de

los muros de retención se debe analizar todas las fuerzas que actúan sobre

este para poder diseñar un muro de retención lo suficientemente resistente

a las cargas que actúan y que actuarían en caso de algún cambio en las

fuerzas debido a razones variadas y que no falle el muro. Las fuerzas que

actúan en el muro son: El peso del mismo, presión que hace el relleno

sobre este, la reacción de la cimentación del muro y el nivel freático. En

esta sección se analizara únicamente las reacciones debidas al nivel

freático.

Fuerzas debidas a aguas tras el muro: Al tener agua tras el muro de

retención, esta genera presiones sobre este, teniéndose en cuenta

la presión que generara el agua freática, a la hora de hacer el

diseño de un muro. Hay que tener en cuenta que el nivel freático

cambia a lo largo del tiempo. Esto genera ciclos de carga y

descarga lo que podría conducir a la falla del muro por fatiga.

Para solucionar esto sin bajar el nivel freático de agua, se realiza un

filtro de agua en la base del muro para permitir que el agua escurra

por el filtro. Otra posibilidad es realizar un muro completamente

permeable (Gaviones). Estos permiten el paso del agua a través del

muro lo que no genera presiones sobre este.

Subpresiones: Al momento de tener agua bajo el muro, se puede

almacenar agua en esta zona. Produciéndose una presión de aguas

freáticas bajo el muro, lo cual puede llevar a la falla del muro por

volcamiento. Para esto se debe drenar las aguas correctamente.

Heladas: SI poseemos agua detrás del muro y llega una helada,

esta agua se congelara y generara una presión adicional al sistema

lo que puede llevar al colapso de la estructura.

Expansiones por cambio de humedad en el suelo: En suelos como

arcilla o limos, que son susceptibles a los cambios de volumen por

cambios en la humedad del suelo son riesgosos. Debido a que el

nivel freático cambia a lo largo del tiempo. Estos suelos están en

constante cambio de humedad lo que genera cambios de volumen.

Estos cambios de volumen en el suelo generan ciclos de carga y

descarga en muro lo que podría generar la falla del muro por fatiga.

5. Consolidación química

El proceso de inyección de productos químicos o consolidación química es

únicamente aplicable a gravas arenosas y arenas de todas clases excepto

con granulometrías muy finas.

El proceso de consolidación química consiste en transformar el suelo

arenoso en una arenisca débil. Facilitando las excavaciones en las

proximidades de alguna cimentación. Este proceso es de gran ayuda

trabajos de apuntalamiento. Es de gran ayuda para la colocación de

cajones o perforaciones de pozos o túneles.

Los productos químicos con mayor frecuencia para este proceso son el

silicato sódico y el cloruro cálcico que reaccionan conjuntamente formando

un gel bastante duro e insoluble de silicato cálcico que da el nombre de “gel

de sílice” al procedimiento.

En el proceso de “doble fluido” se introducen en el terreno unas tuberías

con una separación de 60cm. Por una de estas se inyecta cloruro de calcio

y por otro silicato sódico que se procede lentamente a la recuperación de

las tuberías en varias etapas.

6. Excavaciones mediante aire comprimido

Los cajones de aire comprimido se usan con mayor preferencia que los

cajones de pozo abiertos. En aquellos casos en que el dragado desde los

pozos abiertos podrían causar una pérdida del terreno alrededor del cajón,

provocando el asentamiento de las estructuras adyacentes.se utilizan

también en el hundimiento a través de terreno variable o que contengan

obstrucciones tales que inclinarían a un cajón abierto o le impedirían

proseguir el hundimiento.

Los cajones de aire comprimido tienen la ventaja de que las excavaciones

puede efectuarse a mano en la cámara “seca” de trabajo, y las

obstrucciones tales como guijarros o troncos de árboles pueden ser

eliminados de la parte baja de la cuchilla perimetral. Además, puede

inspeccionarse el suelo al nivel de cimentación haciéndose directamente

sobre la prueba de apoyo si ello fuera necesario. El hormigón de la

cimentación se coloca en seco en condiciones ideales, mientras que en los

cajones de pozos abiertos la excavación final y el estanquizado de

hormigón se suelen llevar a cabo casi siempre bajo el agua.

Los cajones de aire comprimido tienen la desventaja, en comparación con

los cajones de pozos abiertos, de requerir más equipo y trabajo para sí

hundimiento, siendo bastante menos la velocidad de hundimiento. Existe

también una limitación importante como es la de que los hombres no

pueden trabajar a presiones de aire superiores a los 3,5 kg/cm2, lo cual

limita la profundidad de hundimiento hasta los 36m bajo la capa de agua, a

menos que se utilice algún procedimiento para hacer descender al agua en

la parte externa del cajón. Si se utilizan tales procedimientos para reducir

las presiones de aire en la cámara de trabajo deben ser completamente

eficaces, y los pozo de desagüe habrán de colocarse a una distancia

suficiente del cajón para no ser afectados por el movimiento del terreno

producido por el hundimiento del cajón.

7. Procesos de congelación

Debido a su coste excesivamente elevado, la congelación del terreno para

impedir la afluencia de agua en las excavaciones suele recomendarse

como el último recurso cuando todos los demás han fallado o resultan

impracticables por un motivo u otro. El elevado coste de este proceso se

debe a la necesidad de efectuar una gran cantidad de agujeros poco

espaciados alrededor de la excavación. Estos agujeros deben hacerse con

un alto grado de exactitud en la verticalidad para evitar el riesgo de un

hueco en el cerramiento de un terreno congelado, y la planta de

refrigeración resulta muy cara instalar y mantener. Este sistema presenta

además el inconveniente de que se tarda unos seis meses en taladrar los

agujeros, instalar la planta y congelar el terreno; por otro lado; la

congelación de ciertos tipos de terreno provoca severos levantamientos. Se

suele presentar bastantes dificultades en el funcionamiento de las

herramientas de aire comprimido a las bajas temperaturas que predominan

en la excavación, existiendo también algunos problemas al hormigonar la

obra definitiva. No obstante, en algunas situaciones, la congelación es el

único recurso posible para tratar el agua del terreno, como sucede en las

excavaciones de pozos profundos en donde la presión del agua es

demasiado elevada para permitir que los hombres trabajen sometidos a la

acción del aire a presión, o aquellos lugares en que las fisuras en la roca

son demasiado finas para practicar cualquier tipo de inyección.

Básicamente el sistema supone la realización de un círculo o rectángulo de

taladros con sus centros separados 90 a 120 cm alrededor de la

excavación. Estos talados se revisten con unos tubos de acero de 10 a 15

cm que llevan el fondo cerrado, introduciéndose a continuación un tubo

interior de 3,75 a 7 cm de diámetro, abierto por el fondo. La parte superior

de ambos tubos se conecta a una tubería anular por la que circula salmuera

helada procedente de la planta de refrigeración. Esta salmuera se bombera

hacia los tubos interiores y se eleva por el espacio anular comprendido

entre ellos y el revestimiento exterior, congelando así el terreno;

seguidamente, la salmuera retorna a la planta de refrigeración por la tubería

anular de retorno. Por regla general, se suele tardar de dos a cuatro meses

en congelar el terreno. Cerca del centro de la zona tratada es frecuente

abrir un taladro que actúa de dispositivo de aviso. Este taladro se forra con

tubos perforados. A medida que se va formando y cerrando el muro de

hielo, este va comprimiendo el agua del terreno en el interior del muro.

Cuando el agua se eleva por el tubo de aviso y fluye al nivel del terreno, es

señal de que el muro de hielo ya se ha cerrado, pudiéndose comenzar,

entonces, la excavación.

Lo más importante el utilizar el método de congelación es asegurarse de

que el muro de hielo es continuo, antes de comenzar a escavar. Ellis y

McConnell describen las dificultades que encontraron al excavar en un

muro de hielo incompleto. Mussche y Waddington citan gran cantidad de

ejemplos de la utilización de este método en obras de ingeniería civil. El

proceso de congelación se empleó de forma usual en la construcción de

ferrocarril subterráneo de Estocolmo en 1954-55. Parte de la línea férrea

construida por excavación y relleno pasaba cerca de los edificios y se temió

que el aflojamiento (que normalmente tiene lugar al excavar en zanjas

tablestacadas sin importar el cuidado con que se efectué la entibación)

pudiera provocar el asentamiento de los edificios y de la superficie del

terreno adyacente. Se decidió, por lo tanto, formar una masa solida de

terreno congelado entre las paredes dobles de tablestacas a ambos lados

de la excavación para impedir el aflojamiento interior a medida que se

excavaba el terreno entre las filas de tablestacas.

Las condiciones del suelo eran las siguiente: una capa superficial de relleno

de 3,6 a 7,5m de espesor(a base de grava, trazos de ladrillo, escombro,

materia orgánica y trozos de madera), seguida de 6 a 9m de arcilla blanda

(resistencia a cizalladura comprendida entre 1490 y 2900 kg/m2), y

finalmente 0,90 a 3 m de arena fina por encima de un lecho rocoso de

granito. Se deseaba evitar la peligrosa expansión, por la helada, del estrato

de arcilla blanda, así que las unidades de congelación tenían tan solo 1,8 m

de longitud y fueron descendidas por el interior del revestimiento externo a

fin de mantener un hueco de aire aislante entre la parte superior del

revestimiento y las tuberías de ida y retorno de la salmuera congelada.

Ilustración 1. Esquema de las unidades de congelación para el ferrocarril subterráneo de Estocolmo. Fuente: Tomlinson.

Los pozos de congelación se instalaron con una distancia entre centros de

0,75 m juntos a las tablestacas, a ambos lados de la pared doble.

Primeramente se hicieron los pozos en el interior de la zanja, pero más

tarde se instalaron al exterior. Se hinco una tubería de 9,35 cm de diámetro,

extremo cerrado, y sección grande, hasta alcanzar el lecho rocoso,

utilizando para ello un martillo neumático de doble efecto. Se procedió

entonces al descenso de la unidad congeladora hasta el fondo de la tubería.

Constaba de un cilindro de 6,25 cm de diámetro y 1,80 m de longitud, cuya

tubería de inyección de 1,85 cm de diámetro comenzaba en el extremo

superior del cilindro.

El periodo de congelación duro de cuatro a cinco semanas después de lo

cual se llevó a cabo la excavación entre las tablestacas en longitudes de

13,4 m entre los frentes de estas, colocándose entramados de refuerzo en

las posiciones indicadas.

Ilustración 2. A) Excavación en zanjas tablestacadas; b) Anclajes en el fondo de la tablestaca; c) Eliminación de relleno D) Terminación de la excavación. Fuente: Tomlinson.

8. Asentamiento del terreno próximo a excavaciones debido al drenaje del agua del terreno.

Ya hemos mencionado en las páginas los problemas de asentamiento de la

superficie del terreno próximo a excavaciones debido a la surgencia del

suelo bajo el tablestacado, a la erosión de los lados inclinados de las

excavaciones y a la infiltración de finos en pozos de bombeo sin rejillas

filtradoras. Sin embargo, existe una causa de asentamiento que puede

presentarse en algunos tipos de suelo no importando el cuidado con que se

haya efectuado el drenaje del agua del terreno. Este tipo de asentamiento

se debe a un aumento de la densidad del suelo como consecuencia de un

descenso general de la capa freática.

Ilustración 3. A) Pozo colector; B) Tubo de achique. Fuente: Tomlison

Por consiguiente, en un punto A cerca de una excavación en la que se está

eliminando agua del terreno mediante bombeo desde un pozo colector, o en

un punto B próximo a una cortina de tubos de achique, la presión de

sobrecarga efectiva antes de que descienda la capa freática viene dada

por:

Pe=γsubH+γsat h

Y después del descanso, Pe se convierte en:

Pe=γsat (H+h )

Lo que supone un aumento de la presión de

γsat H−γsubH=(γsub+γw )H−γsubH=γwH

En otras palabras, la presión efectiva en A o B aumenta en una cantidad

equivalente al desnivel de agua que existía por encima de esos niveles

antes del desagüe. Si sobre la capa acuosa existen capas de turba o

arcillas compresibles, el incremento de su peso efectivo hace que se

consoliden, con el consiguiente asentamiento de la superficie del terreno.

Análogamente, el aumento de la presión efectiva en los estratos

compresibles bajo la capa freática cuyo nivel ha disminuido, provocara

también la consolidación de estos estratos con el asentamiento

correspondiente al nivel del terreno.

Aunque los efectos son severos en turbas y arcillas blandas, puede tener

lugar un asentamiento apreciable en terrenos arenosos, sobre todo si son

sueltos y se permite que la capa freática fluctué. Con gravas y arenas

densas deben temerse pocos problemas o incluso ninguno, suponiendo que

el sistema de desagüe del terreno posee unos filtros eficaces que impiden

la perdida de finos del suelo. Debe considerarse la posibilidad de

asentamiento de las cimentaciones de pilotes si estos se apoyan en

materiales compresibles, en el caos en que el descenso de la capa freática

provoque un rozamiento negativo en los pilotes. Si el incremento de carga

en los pilotes es pequeño, y sus extremos se encuentran en arcilla firme o

dura, el asentamiento resultante será despreciable. Sin embargo, si el

incremento de carga es suficiente para rebasar su capacidad, se hace

inevitable un pronunciado asentamiento.

9. Pozos de recarga

Pueden tomarse precauciones contra tales efectos por medio de un sistema

de “pozo de recarga”, es decir, bombeando agua en el terreno próximo a la

excavación para mantener elevada la capa freática. Este procedimiento fue

el que adopto para la excavación del basamento de la Torre Latino

Americana de la cuidad de México. El descenso de la capa freática había

provocado severos asentamientos de las acillas lacustres volcánicas, y se

temía que una extracción con mucha pendiente en los estratos acuosos

superficiales para las excavaciones de los cimientos, ocasionara un serio

asentamiento en las calles y edificios aledaños. La excavación que se había

efectuado hasta alcanzar casi la parte superior de la primera capa de arena

con agua intersticial (a unos 2,4 m bajo el nivel del terreno) se rodeó de un

tablestacado de madera con ensambladuras de caja y espiga y se

instalaron cuatro pocos de bombeo de 34,5 m de profundidad se hizo

descender entonces el nivel del agua hasta por debajo del nivel final de

excavación situado a 12 m, y el agua fue descargada por una zanja de

“absorción” al nivel del terreno para mantener en los depósitos superficiales

las condiciones de agua del terreno. Se hizo llegar también hasta unos

pozos de inyección o recarga para mantener la altura de agua en las capas

permeables más baja. Estos pozos constaban de tuberías perforadas de

7,5 cm a 12, 16, 21 y 28 m en los puntos en que atravesaban las capas

permeables y estabas rodeados de un filtro arenoso de 8,75 cm de espesor.

El proceso de proceso de recarga impidió el asentamiento de las

estructuras cercanas, y, al mismo tiempo, el aumento de la presión efectiva

sobre la capa de arcilla situada bajo el nivel del basamento debido a la

reducción en la capa freática compenso el descenso de la presión de

sobrecarga. Por consiguiente, no se produjo ningún hinchamiento en la

excavación del basamento. El proceso de recarga se utiliza actualmente

con bastante profusión en la cuidad de México.

Ilustración 4. Sistema de bombeo y recarga para basamentos. Fuente: Tomlinson

En las excavaciones para los basamentos de los cinco bloques de vivienda

de Coney Island, Nueva York, se utilizaron también pozos de recarga. Era

necesario construir estos edificios de catorce plantas sobre unas placas de

flotación de 4,8 m de profundidad debido al riesgo de un excesivo

asentamiento en las capas subyacentes de arcillas orgánicas compresibles.

La excavación para los basamentos suponía el descenso de la capa

freática en más de 3 m y se decidió que los métodos de tubos de achique

eran adecuados. Sin embargo, un descenso general de la capa freática en

toda la zona de viviendas iría acompañado por el riesgo de asentamiento

de los edificios adyacentes incluyendo unos de seis plantas. Se previó un

descenso de 2,4 m a 2,7 m bajo estos edificios. Por consiguiente, se adoptó

un sistema de pozos de recarga con los cuales era posible, mediante un

cuidadoso equilibrio de flujo entre los tubos de achique de bombeo y los

pozos de recarga, mantener el nivel de agua por debajo de las edificios, en

las proximidades de los niveles naturales que variaban bajo influencia de

las mareas del océano Atlántico. Este equilibrio es muy necesario, ya que

un exceso de bombeo sobre la recarga habría provocado un descenso de

nivel bajo los edificios, y lo contrario habría dado lugar a unas condiciones

movedizas bajo los cimientos de los edificios con el riesgo de un

asentamiento desastroso.

En la figura se indica el emplazamiento de los pozos de bombeo y recarga,

en la figura b) se muestra unas sección transversal del lugar que pone de

manifiesto de las altura de agua, que tenía un diámetro de 3,15m y una

altura de 7,5m, y que alimentaba las tuberías principales de difusión de

20cm de diámetro que descargaba en 400 tubos de achique con sus

centros a 1,2m de distancia. Las rejillas filtradoras de estos últimos tenían

2,475m de longitud en comparación con las rejillas normales de 0,9m de

longitud de los tubos de achique de bombeo. Una prueba efectuada para

comprobar la eficacia de los tubos de achique de recarga mostró una

progresiva obstrucción de éstos debido a los productos de filtración y

protección catódica. Esta última consistía en unas varillas de cinca con sus

centros a 1,2 o 1,8 m introducidas en las tuberías, y los tubos elevadores de

difusión estaban galvanizados y pintados. El sistema estuvo en

funcionamiento durante tres meses. La velocidad inicial de bombeo para el

desalojamiento de agua fue de 27240 l.p.m. reduciéndose a 20430 l.p.m. en

la última fase, y de estas cantidades se bombearon 13640 l.p.m. en los

posoz de recarga, perdiéndose el agua restante.