Diseño de Cimientos en Suelos Parcialmente Saturados: Pilotes y Zapatas, Deformaciones y Métodos de Cálculo

El diseño de cimientos en suelos parcialmente saturados requiere una comprensión detallada del comportamiento geotécnico de estos suelos, que se ven influenciados por la presencia de succión matricial. Este artículo ofrece un análisis exhaustivo del diseño de cimentaciones, como pilotes y zapatas, en suelos parcialmente saturados, abordando los métodos de cálculo y las consideraciones sobre las deformaciones. A través de la discusión de los diferentes enfoques y metodologías, se proporcionan directrices técnicas para profesionales de la geotecnia que buscan optimizar el rendimiento de las cimentaciones en estos suelos.

Introducción

Los suelos parcialmente saturados presentan un comportamiento geotécnico único debido a la presencia de succión matricial, que afecta sus propiedades de resistencia y deformabilidad. La succión en los suelos parcialmente saturados puede aumentar la resistencia al corte y afectar la capacidad de carga de las cimentaciones. Este artículo discute los métodos de diseño para cimentaciones superficiales (zapatas) y profundas (pilotes) en suelos parcialmente saturados, así como las deformaciones esperadas en estos suelos y los métodos de cálculo aplicables.

1. Diseño de Zapatas en Suelos Parcialmente Saturados

Las zapatas son cimentaciones superficiales que distribuyen las cargas estructurales sobre una mayor área del suelo. En suelos parcialmente saturados, el comportamiento del suelo se ve influenciado por la succión debido a la tensión capilar en el agua de los poros. Este fenómeno puede incrementar la resistencia al corte del suelo y, por lo tanto, su capacidad de carga.

1.1 Método de Terzaghi para Capacidad de Carga

El Método de Terzaghi para capacidad de carga de zapatas puede adaptarse para suelos parcialmente saturados ajustando los factores de capacidad de carga para incluir la succión del suelo. La ecuación general para la capacidad de carga es:

q_u=c′N_c+γ′D_fN_q+0.5γBN_γ

Donde:

• q_u: Capacidad de carga última.
• c′: Cohesión efectiva del suelo.
• γ′: Peso unitario efectivo del suelo.
• D_f​: Profundidad de la cimentación.
• B: Ancho de la zapata.
• N_c,N_q,N_γ​: Factores de capacidad de carga que dependen del ángulo de fricción interna del suelo (ϕ′).

Para suelos parcialmente saturados, se ajusta la cohesión efectiva c′ para tener en cuenta la succión del suelo, lo que resulta en una mayor capacidad de carga que en condiciones completamente saturadas.

1.2 Métodos Basados en la Mecánica del Suelo No Saturado

En la literatura geotécnica, se detalla cómo utilizar los parámetros de succión en los cálculos de capacidad de carga para zapatas. Estos métodos consideran la succión como un componente adicional a la cohesión y pueden incrementar significativamente la capacidad de carga.

2. Diseño de Pilotes en Suelos Parcialmente Saturados

Los pilotes son elementos de cimentación profunda que transmiten las cargas estructurales a estratos de suelo más profundos y competentes. El diseño de pilotes en suelos parcialmente saturados requiere considerar tanto la resistencia lateral como la resistencia de punta del suelo.

2.1 Método Alfa (α) y Beta (β) para Capacidad de Carga por Fricción Lateral

• Método Alfa (α): Este método se utiliza en suelos cohesivos parcialmente saturados, donde la adhesión entre el suelo y el pilote se ve afectada por la succión. El factor de adhesión α se ajusta para incluir el efecto de la succión, lo que incrementa la capacidad de fricción lateral en comparación con un suelo saturado o seco.

• Método Beta (β): Utilizado para suelos arenosos, este método ajusta el ángulo de fricción del suelo en función de la succión. La resistencia lateral se calcula a partir de las propiedades del suelo alrededor del pilote y la interacción entre el pilote y el suelo.

2.2 Capacidad de Carga de Punta

El cálculo de la capacidad de carga de punta para pilotes en suelos parcialmente saturados se puede realizar utilizando los métodos de Terzaghi y Meyerhof. En estos métodos, la resistencia al corte del suelo en la punta del pilote se incrementa debido a la succión. Este efecto puede ser particularmente significativo en arcillas parcialmente saturadas, donde la succión puede aumentar la cohesión aparente del suelo.

3. Deformaciones en Pilotes y Zapatas en Suelos Parcialmente Saturados

La deformación de los cimientos es un factor crítico que debe ser considerado en el diseño geotécnico, especialmente en suelos parcialmente saturados, donde los cambios en la succión pueden afectar la rigidez y la capacidad de carga del suelo.

3.1 Deformaciones en Zapatas

• Asiento Inmediato y Diferido: En suelos parcialmente saturados, el asiento inmediato (elástico) es generalmente menor que en suelos completamente saturados debido a la mayor rigidez inicial proporcionada por la succión del suelo. Sin embargo, los asentamientos diferidos pueden ser más significativos si la succión disminuye con el tiempo debido a la redistribución del agua.

• Modelo de Consolidación para Suelos No Saturados: A diferencia de los suelos saturados, la consolidación en suelos parcialmente saturados implica una fase inicial rápida debido a la redistribución de la succión y una fase más lenta similar a la consolidación primaria asociada con el drenaje del agua de los poros.

3.2 Deformaciones en Pilotes

• Compresión Axial y Efecto de Succión en Pilotes: Los pilotes en suelos parcialmente saturados experimentan compresión axial debido a la carga transmitida. La presencia de succión en el suelo puede reducir inicialmente las deformaciones axiales, pero a medida que la succión disminuye, la capacidad de soporte lateral también puede reducirse, resultando en mayores deformaciones.

• Deformaciones Laterales y Carga Cíclica: En suelos cohesivos parcialmente saturados, la deformación lateral alrededor de los pilotes puede verse afectada por la succión que, al aumentar la resistencia del suelo, reduce el desplazamiento lateral. Sin embargo, si la succión se pierde debido a la saturación adicional, el desplazamiento lateral puede incrementarse.

4. Métodos de Cálculo y Evaluación de Deformaciones

4.1 Modelos de Deformación Hiperbólica y No Lineal

En suelos parcialmente saturados, los modelos no lineales que consideran el comportamiento dependiente de la succión y la tensión efectiva proporcionan una mejor estimación de las deformaciones a largo plazo. Estos modelos suelen integrar parámetros derivados de pruebas de penetración estándar (SPT) o pruebas de penetración con cono (CPT), ajustados para considerar la succión.

4.2 Análisis de Elementos Finitos (FEA)

El uso de modelos de elementos finitos permite incorporar de manera más realista las propiedades dependientes de la succión del suelo, proporcionando una mejor estimación de las deformaciones bajo diferentes condiciones de carga y de humedad. Este enfoque es útil para analizar la interacción suelo-estructura, especialmente para el diseño de pilotes y zapatas.

Conclusiones

El diseño de cimientos en suelos parcialmente saturados requiere un enfoque especializado que considere la succión del suelo, las propiedades no lineales y las deformaciones dependientes del tiempo. Para un diseño adecuado de cimentaciones como pilotes y zapatas, es crucial utilizar métodos de cálculo que incorporen los efectos de la succión y la variabilidad del contenido de agua. Esto asegura la estabilidad y durabilidad de las estructuras bajo diferentes condiciones geotécnicas. Los métodos avanzados de cálculo, como el análisis de elementos finitos y los modelos constitutivos no saturados, son herramientas indispensables para evaluar el comportamiento de estos suelos y optimizar el diseño geotécnico.

Este análisis proporciona una base sólida para el diseño de cimentaciones en suelos parcialmente saturados, lo que permite a los ingenieros geotécnicos tomar decisiones informadas para garantizar la seguridad y la eficiencia de sus proyectos.