Efecto del nivel freático sobre la capacidad portante de cimientos superficiales
La capacidad de carga es la carga máxima que un perfil de suelo puede soportar antes de sufrir una deformación excesiva y fallar por corte.
Es bien sabido que la profundidad del nivel freático puede afectar la capacidad de carga de los suelos, pero un nivel freático alto no indica necesariamente que el suelo sea débil, como a veces se malinterpreta.
Agua subterránea en el proyecto y ejecución de cimentaciones superficiales
Sin embargo, la presencia de agua subterránea, en los suelos, puede reducir la resistencia al corte debido a la forma en que el agua afecta el peso unitario de los suelos, reduce las tensiones efectivas y por tanto disminuye la capacidad resistente del terreno.
--------
En ingeniería geotécnica , la capacidad de carga es la capacidad del suelo para soportar las cargas aplicadas al suelo. La capacidad portante del suelo es la máxima presión de contacto promedio entre la cimentación y el suelo que no debería producir una falla por corte en el suelo.
La capacidad portante última es la presión máxima teórica que se puede soportar sin fallar; capacidad de carga admisible es la capacidad de carga última dividida por un factor de seguridad.
A veces, en sitios de suelos blandos, pueden ocurrir grandes asientos bajo cimientos cargados sin que ocurra una falla real por corte; en tales casos, la capacidad de carga admisible se basa en el asentamiento máximo permisible.
Hay tres modos de falla que limitan la capacidad portante: falla general por cortante, falla local por cortante y falla por punzonamiento.
Esto depende de la resistencia al corte del suelo, así como de la forma, el tamaño, la profundidad, el tipo de cimentación y la presencia o no de nivel freático.
---
Si consideramos la ecuación general de capacidad portante de Terzaghi (1) ;
q ult = cNc + γDf Nq + 0.5γbNγ (1)
Descubriremos que la ecuación contiene términos para cohesión (c), ángulo de fricción interna (φ) y peso unitario del suelo (γ). Los factores de capacidad de carga Nc, Nq, Nγ dependen del ángulo de fricción interna. Cuando el suelo está sumergido, en el cálculo de la capacidad de carga, se utilizará el peso unitario efectivo (γ').
γ′ = γsat – γw (2)
Donde;
γ′ = Peso unitario efectivo del suelo
γsat = Peso unitario saturado del suelo
γw = Donde está el peso unitario del agua
Como puede verse en la Ecuación (2), el peso unitario efectivo γ′ es aproximadamente la mitad del peso unitario saturado; en consecuencia, habrá una reducción de alrededor del 50% en el valor del término correspondiente en la fórmula de capacidad de carga.
De manera similar, se utilizarán los parámetros de tensión efectiva, c′ y φ′ , obtenidos de una prueba apropiada en el laboratorio, en una muestra saturada de suelo.
Cabe señalar que el agua también afecta los parámetros de resistencia al corte c′ y φ′, pero sus efectos suelen ser tan pequeños que se ignoran.
Ahora debería ser obvio que la ubicación del nivel freático y sus fluctuaciones estacionales tienen un efecto sobre la capacidad de carga de una cimentación. Si el nivel freático está a gran profundidad desde la base de la cimentación, no habrá efecto o reducción en la capacidad portante.
En el diseño de zapatas, la profundidad mínima por debajo de la base de la zapata 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. Esto se debe a que normalmente no se espera que la profundidad máxima de la zona de falla por cortante debajo de la base exceda este valor.
Nivel freático elevado en cimientos superficiales
Sin embargo, si el nivel freático está al nivel de la base de la zapata, habrá una reducción en la capacidad de carga. Si el nivel freático está al nivel de la base de la zapata, se utilizará γ′ en el tercer término de la Ecuación de Terzaghi (1), lo que implica una menor contribución del peso del suelo de la cuña elástica debajo de la zapata, ya que toda la cuña está sumergida.
Por lo tanto, se suelen considerar tres casos en el diseño de zapatas por efecto del nivel freático;
- Caso 1: Si el nivel freático se ubica de modo que 0 ≤ D1 ≤ Df (nivel freático por encima del nivel de la zapata), el factor q en las ecuaciones de capacidad portante toma la forma; q = recargo efectivo = D1 γ + D 2 (γsat – γw)
- Caso 2: Si el nivel freático está ubicado de manera que 0 ≤ d ≤ B (nivel freático al nivel de la zapata o dentro de la profundidad d), el factor q en las ecuaciones de capacidad de carga toma la forma; q = sobrecarga efectiva = γDf. El factor γ en el último término de la ecuación de capacidad portante deberá ser reemplazado por el factor; ỹ = γ' + d/B(γ – γ')
- Caso 3: Cuando el nivel freático se ubica de manera que d ≥ B, el nivel freático no tendrá efecto sobre la capacidad de carga.
Para ilustrar los conceptos, se adjunta el Análisis Geotécnico con el programa Zapata de GEO5, de los tres casos descritos en el texto (ver archivos adjuntos).
| Caso | Factor de Seguridad |
| Caso Nº 1 | 2,03 |
| Caso Nº 2 | 3,13 |
| Caso Nº 3 | 3,45 |
Resultados del Análisis Geotécnico con el Software Geotécnico GEO5
Igualmente adjunto un artículo técnico de investigación que explora el efecto del nivel freático y su influencia en la capacidad de carga de cimentaciones superficiales, en un suelo de origen volcánico en Costa Rica (ver archivos adjuntos).
---
Instrucciones para descargar un demo de GEO5 pinchando en este enlace.
---
» Ejemplo-Zapata-bajo-el-Nivel-Freatico.pdf
» LA-VARIACION-DE-LA-POSICION-DEL-NIVEL-FREATICO-Y-SU-INFLUENCIA-EN-LA-CAPACIDAD-DE-CARGA-DE-CIMENTACIONES-SUPERFICIALES-CASO-ZAPATA-CORRIDA-INFINITA-EN-UN-SUELO-DE-ORIGEN-VOLCANICO-JUAN-VINAS-CARTAGO-COSTA-RICA.pdf