Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer cuartil del JCR), en el que se propone un método directo y más riguroso para calcular el módulo de balasto en losas de cimentación, que incorpora un nuevo enfoque de seguridad y criterios de sostenibilidad para mejorar el diseño suelo-estructura.
Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, junto con el profesor Julián Alcalá, en la Universitat Politècnica de València.
En las últimas décadas, el diseño de cimentaciones ha evolucionado hacia soluciones más seguras, eficientes y sostenibles. Sin embargo, el módulo de balasto vertical (Ks), uno de los parámetros más utilizados en la modelización del contacto suelo-estructura, sigue empleándose en muchos proyectos como si se tratara de una propiedad intrínseca del terreno. El artículo analizado sugiere un cambio de paradigma en esta práctica, al introducir un método directo para estimar Ks a partir de la relación carga-asentamiento, así como un nuevo marco de seguridad orientado al diseño sostenible. Esta aportación es especialmente relevante en el caso de las cimentaciones tipo losa, habituales en edificios y estructuras industriales.
El estudio parte de una cuestión fundamental: ¿cómo se puede estimar de forma rigurosa el módulo de balasto vertical (Ks) en losas de cimentación, considerando parámetros geotécnicos habitualmente ignorados y, al mismo tiempo, integrando criterios de sostenibilidad y seguridad en el diseño?
Esta cuestión surge de las deficiencias detectadas en los métodos indirectos y semidirectos que se emplean comúnmente, ya que no consideran aspectos clave como la profundidad de la influencia o los efectos de compensación de cargas.
Los autores desarrollan una metodología directa que combina varias herramientas avanzadas de análisis geotécnico:
Teoría del semiespacio elástico para representar el comportamiento del terreno.
Análisis de asientos por capas, con el fin de capturar la variabilidad en profundidad.
Mecánica de consolidación basada en ensayos edométricos, que permite incorporar la respuesta deformacional del suelo bajo carga.
Consideración explícita de la profundidad de la influencia y de la compensación de cargas, factores que rara vez se incluyen en los métodos tradicionales.
Con este planteamiento, se obtiene directamente un valor de Ks coherente con los principios de la energía elástica y adecuado para modelos avanzados de interacción suelo-estructura. El valor resultante, 5,30 MN/m³, se sitúa entre los límites inferiores y superiores calculados, lo que confirma la consistencia del método.
El estudio no se limita al aspecto puramente geotécnico, sino que también integra una evaluación de la sostenibilidad del ciclo de vida de tres alternativas de losa de hormigón armado. Para ello, combina un proceso jerárquico analítico neutrosófico (NAHP-G) con el método de decisión multicriterio ELECTRE III, considerando dimensiones estructurales, ambientales y socioeconómicas.
Además, se introduce un coeficiente de seguridad específico para Ks, calibrado para considerar la variabilidad espacial del subsuelo y mejorar el diseño en términos de servicio.
Los resultados del trabajo son especialmente significativos:
El método directo permite obtener un Ks más representativo del comportamiento real del terreno y de la losa bajo carga.
El nuevo coeficiente de seguridad proporciona un diseño más fiable y coherente con la incertidumbre del subsuelo.
Se logra una mejora de 2,5 veces en el índice de seguridad social y una reducción del 50 % en los impactos ambientales respecto a metodologías convencionales.
El estudio redefine Ks como una variable de diseño, no como una constante del suelo, corrigiendo así décadas de uso inapropiado en la ingeniería geotécnica.
Las conclusiones del artículo tienen un impacto directo en la práctica profesional:
Mejora del diseño de losas: el método permite ajustar mejor los modelos numéricos y evitar tanto el sobredimensionamiento como los fallos por asientos excesivos.
Integración de la sostenibilidad en fases tempranas del proyecto: el marco NAHP-G + ELECTRE IS proporciona una herramienta objetiva para comparar alternativas de cimentación no solo por criterios técnicos, sino también por criterios ambientales y sociales.
Mayor seguridad y fiabilidad: el nuevo coeficiente de seguridad para Ks ayuda a gestionar la incertidumbre y aumenta los márgenes de seguridad de forma cuantificada.
Aplicación en proyectos con elevada heterogeneidad del terreno: el enfoque resulta especialmente útil en suelos con variabilidad marcada, donde los métodos simplificados generan resultados poco fiables.
Figura 1. Control del nivel freático. https://www.flickr.com/photos/wsdot/4997287082/
En este artículo se analiza un documento anexo al final: una guía formal de drenaje que detalla las lecciones aprendidas durante un proyecto de ingeniería civil excepcionalmente complejo en Christchurch (Nueva Zelanda), que se llevó a cabo de 2011 a 2016 tras un terremoto. Proporciona un marco para evaluar, diseñar e implementar el drenaje en programas de reconstrucción de infraestructuras o de recuperación tras desastres naturales, con énfasis en las prácticas de construcción y la geología local.
La guía examina diversos sistemas de control del nivel freático, como sumideros, sistemas de well-points y pozos, y ofrece criterios para seleccionar los métodos según la permeabilidad del suelo y la profundidad de la excavación. Además, establece un sistema para determinar la categoría de riesgo de un proyecto de drenaje y describe las medidas necesarias para mitigar los efectos ambientales y prevenir la subsidencia del terreno.
1.0 Introducción y principios fundamentales.
1.1 La importancia crítica del control del agua subterránea.
El control del nivel freático es un factor determinante para el éxito de cualquier proyecto de construcción que implique excavaciones. Una gestión inadecuada o la ausencia de un control efectivo puede comprometer gravemente la estabilidad de las excavaciones, la integridad de las estructuras permanentes y, en última instancia, la viabilidad económica y temporal del proyecto. El agua subterránea no controlada puede generar riesgos geotécnicos significativos, como la tubificación (piping), que es la erosión interna del suelo por el flujo de agua; el levantamiento del fondo (uplift), causado por presiones ascendentes que superan el peso del suelo en la base de la excavación, y una reducción general de la estabilidad del suelo, que puede provocar fallos en los taludes. Este manual recopila las lecciones aprendidas durante el programa de reconstrucción de la infraestructura de Christchurch (SCIRT), en el que la gestión del agua subterránea en condiciones geotécnicas complejas y tras el sismo fue un desafío diario y crítico para el éxito del proyecto. Estos fenómenos no solo suponen una amenaza para la seguridad de los trabajadores, sino que también pueden ocasionar daños en infraestructuras adyacentes y provocar retrasos y sobrecostes considerables.
Figura 2. Rotura de fondo o tapozano
1.2. Propósito y alcance del manual.
El manual proporciona una guía práctica y un proceso normalizado para evaluar, seleccionar, diseñar y monitorizar los sistemas de drenaje en obras de construcción. Con base en las enseñanzas extraídas de proyectos de infraestructura complejos, este documento pretende dotar a los ingenieros y gerentes de proyecto de las herramientas necesarias para prever y gestionar los desafíos relacionados con el nivel freático. El objetivo final es reducir los costes y los retrasos asociados a problemas imprevistos mediante una planificación proactiva y un diseño técnico riguroso de las obras temporales de drenaje.
Este manual aborda el ciclo completo de la gestión del agua subterránea en la construcción e incluye:
El contexto geológico y su influencia directa en las estrategias de desagüe.
Los sistemas de control del nivel freático disponibles, sus aplicaciones y limitaciones.
La mitigación de los efectos ambientales y el cumplimiento de las normativas vigentes.
Un marco para la evaluación sistemática de riesgos y la planificación de contingencias.
El documento se centra principalmente en los métodos de control del nivel freático, que consisten en interceptar y extraer el agua subterránea mediante bombeo. También se mencionan brevemente los procedimientos de contención, como las tablestacas o los muros pantalla, que buscan bloquear el flujo de agua hacia la excavación.
Figura 3. Combinación de pantallas con (a) bombeo convencional o (b) barreras horizontales. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
1.3. Importancia del contexto geológico.
Análisis de acuíferos: una comprensión fundamental de la hidrogeología del emplazamiento es el pilar de cualquier diseño de un drenaje. Es crucial identificar la naturaleza de los acuíferos presentes, ya sean confinados, no confinados o artesianos. La fuente del agua (por ejemplo, la infiltración de lluvia o la recarga de un río) y la presión a la que se encuentra determinan directamente la selección y la eficacia del sistema de drenaje. Por ejemplo, un acuífero confinado o artesiano puede ejercer una presión ascendente significativa, lo que requiere métodos de control más robustos que los de un simple acuífero no confinado. Este conocimiento también es importante para planificar y evitar impactos no deseados en el entorno, como la afectación de pozos de agua cercanos o la inducción de asentamientos en estructuras adyacentes.
Análisis del perfil del suelo: el comportamiento del agua subterránea está intrínsecamente ligado a las propiedades del suelo. La permeabilidad del suelo, es decir, su capacidad para permitir el paso del agua, es el factor más crítico, ya que determina la facilidad con la que se puede extraer agua mediante bombeo.
Gravas y arenas limpias: son altamente permeables y ceden agua con facilidad, pero pueden generar grandes caudales de entrada.
Limos y arcillas: presentan baja permeabilidad, ceden agua muy lentamente y son susceptibles a la consolidación y al asentamiento cuando se reduce la presión del agua.
Suelos estratificados: la presencia de capas alternas de alta y baja permeabilidad puede crear condiciones complejas, como acuíferos colgados, que requieren un diseño cuidadoso para su drenaje eficaz.
Síntesis de los desafíos geotécnicos: la interacción entre la geología local y las actividades de construcción genera una serie de desafíos específicos que deben anticiparse.
Tabla 1: Desafíos geotécnicos comunes y sus implicaciones.
Desafío geotécnico
Implicaciones para las operaciones de drenaje
Presencia de turba y suelos orgánicos
Estos suelos tienen un alto contenido de agua y son muy compresibles. El drenaje puede provocar asentamientos significativos y dañar la infraestructura cercana. Por ello, es necesario realizar una evaluación de riesgos muy cuidadosa y un seguimiento de los asentamientos.
Gravas superficiales
Las capas de grava poco profundas pueden complicar la instalación de sistemas como los well-points y generar volúmenes de entrada de agua muy elevados que superen la capacidad de los sistemas de bombeo estándar.
Riesgo de encontrar condiciones artesianas
La intercepción de un acuífero artesiano puede provocar un flujo de agua incontrolado hacia la excavación, lo que conlleva un riesgo de inundación, levantamiento del fondo y fallo catastrófico. Por ello, es necesario realizar una investigación geotécnica exhaustiva y elaborar un plan de contingencia robusto.
Niveles freáticos variables
Los niveles freáticos pueden fluctuar estacionalmente o en respuesta a eventos de lluvia. El diseño debe ser capaz de manejar el nivel freático más alto esperado, considerando que las variaciones estacionales en Christchurch pueden alcanzar hasta 3 metros.
Por lo tanto, la comprensión profunda del contexto geológico es el primer paso indispensable para realizar una evaluación sistemática de los riesgos y diseñar un sistema de control del nivel freático adecuado.
2.0 Evaluación previa a la construcción y al análisis de riesgos.
2.1 La fase crítica de planificación.
La fase previa a la construcción ofrece la oportunidad más rentable para identificar, analizar y mitigar los riesgos asociados al drenaje de aguas subterráneas. Una evaluación rigurosa en esta etapa permite diseñar adecuadamente las obras temporales, evitar fallos durante la ejecución y realizar una asignación presupuestaria precisa, lo que evita sobrecostos y retrasos imprevistos. Aunque un diseño proactivo suponga una inversión inicial, casi siempre resulta un ahorro global para el proyecto.
2.2 Pasos clave para el diseño del drenaje.
Desarrollo del modelo geotécnico: para diseñar un control del nivel freático eficaz, es esencial construir un modelo conceptual del subsuelo. Este proceso debe ser dirigido por un técnico competente y consta de los siguientes pasos:
Revisión de estudios previos: consultar fuentes de información existentes como mapas geológicos, bases de datos geotécnicas, investigaciones previas en la zona y fotografías aéreas.
Evaluación de la permeabilidad: utilizar la información disponible para estimar preliminarmente la permeabilidad de las diferentes capas del suelo.
Evaluación de riesgos inicial: realizar una evaluación de alto nivel sobre la posible presencia de suelos o aguas subterráneas contaminadas, la probabilidad de encontrar grava a poca profundidad y el riesgo de que haya condiciones artesianas.
Decisión sobre investigaciones adicionales: en función de la complejidad y el perfil de riesgo del proyecto, se debe determinar si la información existente es suficiente o si se requieren investigaciones de campo específicas (por ejemplo, sondeos o ensayos de permeabilidad) para definir adecuadamente el modelo del terreno.
Técnicas para determinar la permeabilidad: la permeabilidad es el parámetro clave que guía el diseño del control del nivel freático. La siguiente tabla resume los métodos disponibles para su determinación, ordenados aproximadamente por coste y fiabilidad.
Método
Descripción
Aplicabilidad
Coste y fiabilidad relativa
1. Empírico (registros de sondeo)
Se asignan valores de permeabilidad basados en las descripciones de los suelos obtenidas de los registros de perforación, que se comparan con valores típicos de referencia.
Útil para evaluaciones preliminares y proyectos de bajo riesgo.
Coste: el más bajo (solo horas de diseño).
Fiabilidad: baja; solo proporciona un orden de magnitud.
2. Empírico (método de Hazen)
Estimación de la permeabilidad a partir de las curvas de distribución granulométrica del suelo.
Aplicable solo si se cuenta con ensayos de granulometría en suelos arenosos.
Coste: bajo si los datos ya existen; de lo contrario, requiere muestreo y ensayos de laboratorio.
Fiabilidad: baja a moderada.
3. Ensayo de laboratorio (carga constante)
Mide el flujo de agua a través de una muestra de suelo bajo un gradiente hidráulico constante.
Adecuado para suelos con permeabilidades relativamente altas (10⁻² a 10⁻⁵ m/s), como arenas y gravas.
Coste: relativamente bajo, pero requiere la obtención de muestras inalteradas.
Fiabilidad: moderada, pero puede no ser representativa de la masa de suelo a gran escala.
4. Ensayo de laboratorio (consolidación/triaxial)
Mide la permeabilidad como parte de ensayos de consolidación o de ensayos triaxiales.
Adecuado para suelos de baja permeabilidad (≤ 10⁻⁶ m/s), como los limos y las arcillas.
Coste: relativamente bajo, pero requiere muestras inalteradas.
Fiabilidad: moderada, sujeta a las mismas limitaciones que el ensayo de carga constante.
5. Ensayo de carga instantánea (slug test)
Se induce un cambio rápido en el nivel del agua en un pozo o piezómetro y se mide la velocidad de recuperación del nivel.
Realizado in situ en la zona saturada. Puede ser demasiado rápido para suelos muy permeables.
Coste: menor que el de un ensayo de bombeo.
Fiabilidad: Proporciona una indicación de la permeabilidad local alrededor del pozo, pero no a escala de sitio.
6. Ensayo de bombeo
Se bombea agua desde un pozo a un caudal constante y se mide el abatimiento del nivel freático en el pozo de bombeo y en pozos de observación cercanos.
Proporciona datos a gran escala y es adecuado para proyectos de desagüe profundos o de larga duración.
Coste: el más alto y el que consume más tiempo (dura de 24 horas a 7 días).
Fiabilidad: la más alta, ya que mide la respuesta del acuífero a una escala representativa de las condiciones reales del proyecto.
2.3 Metodología de evaluación de riesgos
Puntuación de riesgos: Para estandarizar el nivel de análisis y supervisión requerido, se propone un sistema de puntuación de riesgos, desarrollado y probado durante el programa SCIRT, que categoriza cada proyecto de control del nivel freático. Este enfoque permite asignar los recursos de diseño de manera proporcional al riesgo identificado, de modo que los proyectos de alta complejidad reciben la atención de especialistas y los de bajo riesgo pueden gestionarse mediante prácticas normalizadas.
Matriz de categorización de riesgos: el número de categoría de riesgo (RCN) se calcula multiplicando las puntuaciones asignadas a seis áreas de riesgo clave (RCN = A x B x C x D x E x F), tal y como se muestra en la siguiente tabla:
A: Profundidad de excavación
Puntuación
B: Agua subterránea
Puntuación
C: Condiciones del terreno
Puntuación
< 2 m
1
No se requiere abatimiento
0
Suelos competentes sin necesidad de soporte temporal
1
2 – 3 m
2
Abatimiento < 1 m requerido
1
Limos y arcillas de baja permeabilidad
2
3 – 6 m
6
Abatimiento 1 – 3 m requerido
2
Arenas limosas
3
6 – 15 m
10
Abatimiento 3 – 6 m requerido
5
Turba y suelos orgánicos
3
> 15 m
12
Influencia en cuerpos de agua superficial
7
Intercepta gravas de moderada a alta permeabilidad
6
Abatimiento > 6 – 9 m requerido
10
Arenas fluidas
10
Intercepta acuífero artesiano
10
Suelos contaminados
10
Agua subterránea contaminada
10
D: Duración del drenaje
Puntuación
E: Coste de componentes del proyecto influenciados por el drenaje
Puntuación
F: Efectos en servicios, infraestructuras y propiedades adyacentes
Puntuación
Excavación abierta por 1 – 2 días
1
< $0.1M
1
Sitio sin construcciones
1
Excavación abierta < 1 semana
2
$0.1M a $0.5M
2
Vía local
2
Excavación abierta por 1 – 4 semanas
3
$0.5M a $1M
3
Vía arterial principal o secundaria
3
Excavación abierta por 1 – 6 meses
4
$1M a $5M
4
Propiedad privada a una distancia menor que la altura de la excavación o estructuras adyacentes sobre pilotes
3
Excavación abierta > 6 meses
5
> $5M
5
Autopista
4
Vías férreas
4
Estructuras históricas con cimentaciones superficiales
4
Infraestructura crítica vulnerable a asentamientos
5
Nota:El Número de Categoría de Riesgo (RCN) se calcula como el producto de las puntuaciones de las 6 áreas (A x B x C x D x E x F).
Niveles de acción de diseño recomendados: una vez calculado el RCN, la siguiente tabla define las acciones mínimas de diseño que deben llevarse a cabo.
Número de categoría de riesgo (RCN)
Consecuencia del riesgo
Acciones mínimas de diseño recomendadas
0 – 10
Bajo
• No se requiere un estudio de drenaje específico para el proyecto.
• Implementar el sistema de control del nivel freático basado en la experiencia local previa.
11 – 75
Medio
• Realizar un estudio de escritorio de alto nivel para evaluar las condiciones del terreno y los riesgos de drenaje.
• Seleccionar métodos de control de nivel freático apropiados considerando restricciones y riesgos.
• Realizar cálculos manuales simples para verificar la idoneidad del diseño de las obras temporales.
76 – 2,500
Alto
• Realizar un estudio de escritorio detallado.
• Confirmar las condiciones del terreno y la granulometría mediante al menos un sondeo.
• Realizar cálculos de diseño de drenaje (de simples a complejos según corresponda).
• Desarrollar e implementar un plan de control de asentamientos simple si es necesario.
• Controlar de cerca los sólidos en suspensión durante la descarga.
2,500 – 187,500
Muy Alto
• Revisar un informe geotécnico detallado.
• Contratar a un técnico cualificado y experimentado para brindar asesoramiento profesional.
• Realizar investigaciones de campo adicionales (p. ej., ensayos de permeabilidad, ensayos de bombeo).
• Desarrollar e implementar un plan de control de asentamientos.
• Realizar inspecciones de la condición de las propiedades adyacentes antes de comenzar los trabajos.
Una vez evaluado el riesgo y definido el nivel de diseño requerido, el siguiente paso es comprender en detalle las prácticas y metodologías de drenaje disponibles para su ejecución en campo.
3.0 Métodos y prácticas de control del nivel freático
3.1 Introducción a las metodologías
Los métodos de control del nivel freático más comunes en la construcción se basan en la extracción de agua del subsuelo para reducir dicho nivel. La elección del método más adecuado es una decisión técnica que depende fundamentalmente de las condiciones del suelo, la profundidad de la excavación, el caudal de agua previsto y los objetivos específicos del proyecto. Cada método tiene sus propias ventajas y limitaciones, que deben evaluarse cuidadosamente.
Descripción y aplicación: el bombeo desde sumideros es el método más simple y, a menudo, el más económico. Consiste en excavar zanjas o pozos (sumideros) en el punto más bajo de la excavación para que el agua subterránea fluya por gravedad hacia ellos y, desde allí, sea bombeada y evacuada. Este método es efectivo en suelos con permeabilidad alta o moderada, como las gravas y las arenas gruesas. Su principal limitación es que el agua fluye hacia la excavación antes de ser controlada, lo que puede causar inestabilidad en los taludes y en el fondo. Existe un alto riesgo de tubificación (piping) y de arrastre de finos, lo que puede provocar asentamientos y generar una descarga de agua cargada de sedimentos que requiere un tratamiento exhaustivo.
Requisitos de diseño e instalación: para que un sumidero sea eficaz, debe cumplir los siguientes requisitos:
Profundidad: Suficiente para drenar la excavación y permitir la acumulación de sedimentos sin afectar la toma de la bomba.
Tamaño: Mucho mayor que el de la bomba para facilitar la limpieza y el mantenimiento.
Filtro: El sumidero debe estar protegido con una tubería ranurada o perforada, rodeada de grava gruesa (20-40 mm) para evitar la succión de partículas finas del suelo.
Acceso: Debe permitir la retirada de las bombas para el mantenimiento y la limpieza periódica de los sedimentos acumulados.
Como mejor práctica, se recomienda sobreexcavar el fondo del sumidero y rellenarlo con material grueso para elevar la entrada de la bomba y minimizar la movilización de partículas finas.
Figura 4. Esquema de sumidero y bomba de achique para pequeñas excavaciones, basado en Powers (1992).
Análisis comparativo
Ventajas
Inconvenientes
• Coste relativamente bajo.
• Moviliza sedimentos del terreno, lo que requiere tratamiento de la descarga.
• Equipos móviles y fáciles de instalar y operar.
• No puede utilizarse en «arenas fluidas».
• Solo opera durante los trabajos de construcción.
• Tiene un alto potencial de liberar sedimentos en el medio ambiente y es el método más común para incumplir las condiciones de los permisos ambientales.
Descripción y aplicación: un sistema de well-points consiste en una serie de tubos de pequeño diámetro (aproximadamente 50 mm) con una sección ranurada en el extremo inferior. Estos tubos se instalan en el terreno a intervalos regulares. Estos tubos, también denominados «puntas de lanza», se conectan a un colector principal, que, a su vez, está conectado a una bomba de vacío. La bomba crea un vacío en el sistema que extrae el agua del subsuelo.
Este método es particularmente efectivo en arenas o suelos con capas de arena. Su principal limitación es la altura de succión, que en condiciones cercanas al nivel del mar es de hasta 8 metros. Para excavaciones más profundas, sería necesario utilizar sistemas escalonados en las bermas.
Consideraciones de diseño
Espaciamiento: el espaciamiento entre los pozos de extracción (que suele oscilar entre 0,6 y 3 m) depende de la permeabilidad del suelo, de la geometría de la excavación y del abatimiento requerido. Cuanto más permeable es el suelo, menor debe ser el espaciamiento.
Paquetes de filtro: en suelos finos o estratificados, es crucial instalar un paquete de filtro (generalmente, arena de textura media a gruesa) alrededor de cada pozo de extracción. Así se evita el bombeo de finos y se crea una ruta de drenaje vertical más eficiente.
Figura 5. Componentes del sistema. Cortesía de ISCHEBECK. http://www.ischebeck.es/assets/wp-content/uploads/agotamiento_agua/Cat%C3%A1logo%20Wellpoint%2016022012.pdf
Análisis comparativo
Ventajas
Inconvenientes
• Descarga limpia: Una vez establecido, el sistema extrae agua limpia que requiere poco o ningún tratamiento.
• El desagüe debe realizarse muy cerca del área de trabajo.
• Abatimiento localizado del nivel freático, lo que resulta en menores volúmenes de descarga.
• Funciona mejor en suelos uniformes.
• La instalación puede ocupar un espacio considerable en el entorno vial.
• Requiere experiencia para una instalación y colocación efectivas.
• Potencial de rendimiento (caudal) y de abatimiento limitados por la altura de succión.
3.4 Pozos de bombeo profundo (dewatering wells)
Descripción y aplicación: los pozos de bombeo profundo son pozos perforados de mayor diámetro y profundidad que los well-points y están equipados con una bomba sumergible. Se trata de un sistema de ingeniería que debe ser diseñado por un especialista. Cada pozo incluye componentes clave, como una rejilla dimensionada para el terreno, un paquete de filtro diseñado específicamente y un sello anular en la superficie para evitar la recarga superficial.
Este método es adecuado para excavaciones grandes, profundas o de larga duración y puede manejar grandes caudales de agua.
Consideraciones de diseño: el diseño de un sistema de pozos profundos requiere un análisis detallado de los siguientes parámetros:
Profundidad y diámetro del pozo: el diámetro debe ser suficiente para alojar la bomba necesaria y la profundidad debe ser significativamente mayor que el abatimiento deseado.
Tamaño de la ranura de la rejilla: se diseña en función del tamaño de grano del suelo o del material filtrante para maximizar la entrada de agua y minimizar la entrada de partículas finas.
Diseño del filtro: el filtro granular que rodea la rejilla es fundamental para evitar que los materiales finos del acuífero migren hacia el pozo.
Distancia entre pozos: Los pozos se espacian típicamente entre 10 y 50 metros. Su diseño es complejo, ya que se basa en la interacción entre los conos de abatimiento de cada pozo.
Figura 6. Agotamiento profundo del nivel freático mediante un pozo filtrante. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).
Análisis comparativo
Ventajas
Inconvenientes
• Ideal para excavaciones de gran envergadura y proyectos de larga duración.
• Si se extrae más agua de la necesaria, puede afectar a un área mayor de la prevista, lo que puede causar problemas de asentamiento en suelos compresibles (por ejemplo, turba).
• Descarga limpia una vez que el pozo está desarrollado correctamente.
• Puede requerir un tiempo de preparación más largo para lograr el abatimiento del nivel freático.
• Alta capacidad de bombeo, superando problemas de variabilidad del suelo.
• Se requiere un mayor nivel de diseño, planificación y ensayos de campo, como los ensayos de bombeo.
• Puede instalarse fuera del área de trabajo directa, liberando espacio en las zonas congestionadas.
• Las bombas sumergibles son mucho más silenciosas, ideales para áreas sensibles al ruido.
Tras describir los métodos individuales, el siguiente paso lógico es proporcionar una guía clara para seleccionar el sistema más apropiado para cada situación en el campo.
4.0 Selección del método apropiado
4.1 Una decisión estratégica
La elección del sistema de control del nivel freático adecuado es una decisión estratégica que debe equilibrar la eficacia técnica, el coste de implementación y de operación y el impacto ambiental potencial. Una elección informada no se basa en la intuición, sino en la recopilación y el análisis de datos específicos del emplazamiento. Una elección incorrecta puede provocar un rendimiento deficiente, sobrecostes y retrasos significativos en el proyecto.
4.2 Datos clave para la decisión
Para tomar una decisión fundamentada sobre el método de drenaje, es imprescindible recopilar la siguiente información:
Perfil y tipo de suelo, incluyendo la permeabilidad de cada estrato.
Dimensiones de la excavación: ancho, largo y profundidad.
Nivel freático existente, así como el nivel al que se necesita bajar (abatimiento requerido).
Método de excavación y soporte propuesto: por ejemplo, taludes abiertos o tablestacas.
Proximidad a estructuras existentes, cursos de agua y otras infraestructuras sensibles.
4.3 Matriz de decisión
La siguiente tabla sirve de guía para seleccionar una metodología de drenaje según el tipo de suelo predominante.
Guía para la selección de métodos de drenaje según el tipo de suelo.
Tipo de suelo
Tasa de flujo de agua subterránea
Posibles problemas
Metodología de drenaje recomendada
Gravas / cantos
Alta
Se requieren grandes flujos de agua que pueden provenir de pozos profundos para excavaciones profundas o de sumideros para excavaciones superficiales.
Pozos de bombeo profundo y de bombeo desde sumideros.
Arena
Baja a media
Baja estabilidad de la zanja si se permite que la arena fluya hacia la excavación (arena fluida).
Sistemas well-point.
Limo
Baja
Estabilidad variable y bajo rendimiento de agua, lo que puede requerir un espaciado muy reducido de las puntas de lanza y provocar perching localizado.
Sistemas de puntas de lanza (well-pointing) y de bombeo desde sumideros.
Arcilla
Muy baja
Se han detectado problemas mínimos de estabilidad de la zanja y una posible formación de un nivel freático colgado localizado.
Sistemas de puntas de lanza (well-pointing) y de bombeo desde sumideros.
Turba
Variable (baja a alta)
El drenaje puede provocar la compresión de las capas, lo que provoca asentamientos y daños en los terrenos y en la infraestructura circundantes.
Se requiere asesoramiento especializado.
Suelos mixtos
Variable (baja a alta)
La metodología se basa generalmente en el tipo de suelo predominante y en la unidad geológica que presenta el mayor rendimiento hídrico.
Depende de la hidrogeología y de la unidad geológica de mayor rendimiento hídrico.
4.4 Criterios de aplicación específicos
Condiciones que favorecen el bombeo desde sumideros (sump pumping):
Suelos como grava arenosa bien graduada, grava limpia o arcilla firme o rígida.
Acuífero no confinado.
Se requiere un abatimiento moderado y no hay fuentes de recarga cercanas (por ejemplo, un arroyo).
La excavación tiene taludes poco pronunciados o está protegida por tablestacas hincadas a gran profundidad.
Cargas de cimentación ligeras.
Condiciones que favorecen los sistemas well-point:
Suelos arenosos o interestratificados que incluyan arenas (permeabilidad k = 10⁻³ a 10⁻⁵ m/s).
Acuífero no confinado.
Se requiere un abatimiento de 5 metros o menos (o de hasta 10 metros si el área de excavación es grande y permite sistemas escalonados).
Condiciones que favorecen la instalación de pozos de bombeo profundo (wells):
Las condiciones del terreno son demasiado permeables como para que los well-points sean viables.
Suelos limosos que requieren un diseño de filtro preciso.
Se requiere un abatimiento de más de 8 metros o un abatimiento en un área extensa durante un período prolongado.
El acceso a la excavación está restringido o el lugar está congestionado (los pozos pueden ubicarse fuera de las zonas de trabajo).
Independientemente del método elegido, es imperativo gestionar los impactos ambientales asociados, un aspecto crucial que se detallará en la siguiente sección.
Figura 7. Selección del método de drenaje adecuado.
5.0 Mitigación de efectos ambientales y gestión de impactos
5.1 Responsabilidad ambiental y cumplimiento normativo
La gestión del agua subterránea no termina con su extracción, sino que conlleva la responsabilidad de cumplir con la normativa medioambiental y minimizar cualquier impacto negativo en el entorno. Una planificación cuidadosa debe abordar dos aspectos principales: la gestión de la calidad del agua de descarga para proteger los cuerpos de agua receptores y la prevención del asentamiento del terreno, que podría dañar la infraestructura y las propiedades adyacentes.
5.2 Gestión de la calidad del agua extraída
Sólidos en suspensión totales (TSS): el agua bombeada desde una excavación, especialmente desde sumideros, a menudo presenta una alta concentración de sedimentos. La normativa medioambiental exige que esta agua sea tratada para eliminar los sólidos antes de su vertido. Por ejemplo, muchos permisos establecen un límite de 150 g/m³ de TSS. Para el control in situ, una herramienta práctica es la evaluación visual comparativa. En un laboratorio, se pueden preparar muestras estándar con concentraciones conocidas de TSS (por ejemplo, 150 g/m³), que sirven como referencia visual para compararlas rápidamente con las muestras de descarga tomadas en el lugar, lo que permite tomar medidas correctivas inmediatas en caso de observar una turbidez excesiva.
Agua subterránea contaminada: existe el riesgo de encontrar contaminantes en el agua subterránea, especialmente en áreas urbanas o industriales con un historial de actividades potencialmente contaminantes. Durante la fase de planificación, es crucial identificar las zonas de riesgo. Si el proyecto se ubica en una de estas zonas o si se sospecha de contaminación, deberán realizarse muestreos específicos del agua subterránea para analizar la presencia y concentración de contaminantes. Así se puede planificar un sistema de tratamiento adecuado si fuera necesario.
5.3 Métodos de tratamiento de la descarga
Los tanques de sedimentación son el método principal y más común para tratar la descarga. Su principio de funcionamiento es sencillo: reducir la velocidad del flujo de agua para que las partículas de sedimento se asienten por gravedad. Un diseño eficaz incluye cuatro zonas funcionales:
Zona de entrada: Distribuye el flujo de manera uniforme para evitar turbulencias.
Zona de asentamiento: El área principal donde ocurre la sedimentación.
Zona de recolección: El fondo del tanque donde se acumulan los sedimentos.
Zona de salida: Recolecta el agua clarificada para su descarga.
El dimensionamiento adecuado del tanque es fundamental y debe basarse en el caudal de bombeo y el tamaño de las partículas a eliminar.
Otros métodos
Filtrado a través de la vegetación: El agua se descarga sobre una superficie cubierta de vegetación densa (por ejemplo, césped), que actúa como un filtro natural. Este método solo es adecuado como tratamiento secundario tras un tanque de sedimentación.
Bolsas de control de sedimentos: Se trata de bolsas de geotextil que se conectan a la salida de la bomba y filtran los sedimentos. Son útiles para caudales bajos y áreas pequeñas, pero pueden obstruirse rápidamente ante altas concentraciones de sedimentos.
5.4 Control del asentamiento del terreno
Causas y riesgos: El abatimiento del nivel freático puede provocar asentamientos del terreno por tres mecanismos principales:
Aumento de la tensión efectiva: al descender el nivel freático, disminuye la presión del agua en los poros del suelo, lo que incrementa la carga que puede soportar el esqueleto sólido del suelo. Esto provoca su compresión y el consiguiente hundimiento de la superficie.
Pérdida de finos: Un diseño de filtro inadecuado o velocidades de flujo excesivas pueden arrastrar partículas finas del suelo y generar vacíos, lo que provoca asentamientos localizados.
Inestabilidad de los taludes: una reducción insuficiente de las presiones de poro o un control inadecuado de las filtraciones puede comprometer la estabilidad de los taludes de la excavación, lo que provoca fallos localizados y desprendimientos de material.
Los suelos blandos y de baja permeabilidad, como los limos, las arcillas y los suelos orgánicos (turba), son los más susceptibles a sufrir asentamientos significativos por consolidación.
Estrategias de mitigación: Para minimizar el riesgo de asentamientos perjudiciales, deben implementarse las siguientes estrategias:
Diseño adecuado de los filtros: hay que asegurarse de que los filtros de pozos o well-points estén correctamente dimensionados para retener las partículas del suelo.
Control de finos: controlar la cantidad de sólidos disueltos en el agua de descarga. Un aumento sostenido puede indicar una posible pérdida de material del subsuelo.
Control del radio de influencia: diseñar el sistema para limitar la bajada del nivel freático más allá de los límites de la zona, utilizando, si es necesario, barreras de corte o pozos de reinyección.
Control de los asentamientos en el terreno: implementar un plan de supervisión para detectar cualquier movimiento del terreno.
Control de asentamientos: Se debe establecer un plan de supervisión que incluya la instalación de marcadores topográficos en edificios y estructuras cercanos. Es fundamental contar con un punto de referencia estable ubicado fuera de la zona de influencia del drenaje. Se deben establecer umbrales de alerta y de actuación para los asentamientos medidos. Si se alcanzan estos umbrales, se deben adoptar medidas correctivas que pueden ir desde la modificación del funcionamiento de la estación de bombeo hasta la interrupción total del drenaje.
La gestión proactiva de estos riesgos operativos y medioambientales debe complementarse con la preparación ante eventos inesperados, lo que nos lleva a la planificación de contingencias.
6.0 Planificación de contingencias: intercepción accidental de acuíferos artesianos
6.1 Preparación para lo imprevisto.
A pesar de una planificación y ejecución cuidadosas, siempre existe la posibilidad de toparse con condiciones geológicas imprevistas, como la intercepción de un acuífero artesiano o la aparición de caudales de entrada mucho mayores de lo esperado. Estas situaciones pueden escalar rápidamente y provocar un colapso catastrófico de la excavación. Por lo tanto, una preparación adecuada y un plan de respuesta rápida no son opcionales, sino parte esencial de la gestión de riesgos en cualquier proyecto de drenaje.
6.2 Medidas preparatorias
Procedimientos operativos: Antes de iniciar cualquier trabajo de excavación o perforación en zonas de riesgo, se deben establecer los siguientes procedimientos:
Realizar investigaciones geotécnicas adecuadas para identificar la posible presencia de acuíferos artesianos.
Disponer de medios para cerrar rápidamente los pozos de bombeo o las puntas de lanza si se detecta un flujo incontrolado.
Localizar de antemano proveedores de emergencia de materiales como cemento Portland, bentonita y geotextil.
Comprender el procedimiento de cálculo del diseño de la mezcla de lechada para detener el flujo. Se debe medir la carga artesiana y añadir la mezcla de lechada para lograr un equilibrio de presión.
Establecer y distribuir una lista de contactos de emergencia que incluya al ingeniero del proyecto, al contratista de desagüe y a las autoridades ambientales pertinentes.
Equipamiento de emergencia Se debe tener disponible en el sitio el siguiente equipamiento y suministros de emergencia, según el sistema en uso:
Para sistemas well-point:
Chips de bentonita no recubiertos para el sellado del collar.
Válvulas para instalar en todas las tuberías de well-points en áreas con sospecha de presión artesiana.
Equipo de inyección de lechada de cemento y suministros.
Geotextil y sacos de arena.
Para pozos de bombeo profundo:
Chips de bentonita no recubiertos para el sellado del collar.
Obturadores, tubería ascendente, manómetros y accesorios apropiados para cortar el flujo y medir la presión.
Equipo de inyección de lechada de cemento y suministros.
Geotextil y sacos de arena.
Lodo de perforación polimérico para compensar y suprimir flujos artesianos bajos durante la perforación del pozo.
Además, es necesario contar con un teléfono móvil con cámara, secciones de tubería extensibles para medir la altura de la presión artesiana y el diseño de la mezcla de lechada de contingencia.
6.3 Protocolo de implantación y respuesta
Pasos inmediatos: En caso de detectar un flujo de agua incontrolado, se debe seguir el siguiente protocolo de manera inmediata y secuencial:
Evaluar la situación: Determinar si el caudal y la turbidez del agua son constantes o están aumentando. Verificar si el flujo está confinado al pozo o se está extendiendo por la excavación.
Notificar al ingeniero y al gerente del proyecto: Proporcionar una descripción detallada de las condiciones, el caudal estimado y los eventos que llevaron al incidente. Enviar fotografías o videos en tiempo real si es posible.
Notificar a las autoridades pertinentes: Informar a las autoridades ambientales y a otras partes interesadas sobre la situación y las medidas de contención planificadas.
Acciones de emergencia: Una vez notificado el incidente, se pueden tomar una o más de las siguientes acciones de emergencia para controlar la situación:
Rellenar la excavación: Comenzar a rellenarla con material hasta que el peso del relleno sea suficiente para controlar el flujo y el transporte de sedimentos.
Medir la presión artesiana: Utilizar secciones de tubería para medir la altura a la que llega el agua y así determinar la presión del acuífero.
Controlar la descarga: Dirigir cualquier descarga de agua a través de las medidas de control de erosión y sedimentos establecidas en el sitio.
Inundar la excavación: Como medida drástica, rellenar la excavación con agua hasta el nivel freático original para equilibrar las presiones y estabilizar la situación mientras se reconsidera el diseño.
La combinación de una planificación rigurosa, una ejecución cuidadosa y una preparación exhaustiva ante contingencias es la clave para una gestión exitosa y segura del agua subterránea en cualquier proyecto de construcción.
En este audio podéis escuchar una conversación sobre este tema.
Este es un vídeo que resume bien las ideas principales.
Os dejo el documento completo; espero que os sea de interés.
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Arthur Casagrande (1902–1981). https://gyaconstructora.wordpress.com/2015/11/30/arthur-casagrande-y-la-mecanica-de-suelos/
Arthur Casagrande (28 de agosto de 1902 – 6 de septiembre de 1981) fue un ingeniero civil estadounidense de origen austrohúngaro, cuya obra sentó las bases del desarrollo inicial de la geotecnia y de la mecánica de suelos. Su nombre está asociado a innovaciones en el diseño de aparatos experimentales y a contribuciones fundamentales al estudio de la filtración, la licuefacción de suelos y el comportamiento mecánico de las arcillas. También es conocido por crear el histórico programa de enseñanza de la mecánica de suelos en la Universidad de Harvard, que más tarde sería imitado por universidades de todo el mundo. Junto con Karl Terzaghi, es reconocido como uno de los padres de la mecánica de suelos moderna.
Casagrande nació en Ajdovščina, en la actual Eslovenia, que entonces formaba parte del Imperio austrohúngaro. Tras cursar su primer año escolar en Linz, se mudó con su familia a Trieste. Al llegar a la edad de ingresar en la enseñanza secundaria, fue admitido en la Realschule, un tipo de escuela destinada a estudiantes que posteriormente cursarían estudios técnicos o un aprendizaje profesional. Su decisión de asistir a este centro estuvo influida por la tradición familiar materna, ya que muchos de sus parientes se habían dedicado a las ingenierías mecánica y química. En 1924, se graduó como ingeniero civil en la Technische Hochschule (TH) de Viena y continuó trabajando allí como asistente a tiempo completo del profesor Schaffernak en el laboratorio de hidráulica.
La disolución del Imperio austrohúngaro tras la Primera Guerra Mundial dejó el sector de la construcción prácticamente paralizado, lo que limitó en gran medida las oportunidades para los jóvenes ingenieros. Este difícil contexto, sumado al fallecimiento de su padre en 1924, incrementó su responsabilidad económica familiar y reforzó su deseo de participar en grandes proyectos de ingeniería. A pesar de la oposición de su madre y de su profesor, decidió emprender el arriesgado viaje a Estados Unidos. Tras llegar a Nueva York en 1926, se alojó durante diez días en un albergue de la YMCA antes de mudarse a Nueva Jersey, donde trabajó durante unos meses como delineante.
Una visita al Massachusetts Institute of Technology (MIT) en busca de empleo cambiaría su carrera para siempre. Allí conoció a Karl von Terzaghi, que acababa de llegar, y le ofreció inmediatamente un puesto de asistente privado. Desde 1926 hasta 1932, Casagrande trabajó como asistente de investigación asignado al MIT para el US Bureau of Public Roads, colaborando con Terzaghi en numerosos proyectos destinados a mejorar las técnicas y los equipos de ensayo de suelos. En 1929, viajó con él a Viena para ayudarle a establecer un laboratorio de mecánica de suelos que pronto se convertiría en un centro de referencia mundial. Durante este viaje por Europa, Casagrande visitó todos los laboratorios de mecánica de suelos existentes en ese momento, lo que le permitió adquirir un conocimiento excepcional del estado del arte internacional.
A su regreso al MIT, desarrolló equipos que sentarían las bases de los utilizados actualmente: el aparato del límite líquido, la prueba del hidrómetro, el ensayo capilar horizontal, el odómetro y la caja de corte. También fue pionero en realizar ensayos triaxiales y en estudiar los cambios volumétricos de los suelos durante el esfuerzo cortante en Estados Unidos. Gracias a sus avances experimentales, realizó aportaciones fundamentales: fue uno de los primeros en comprender el desarrollo de las presiones de poros durante los cortes no drenados, destacó la diferencia crítica entre las arcillas intactas y las remoldeadas y estableció los procedimientos estándar para identificar la presión de preconsolidación en los suelos sobreeconsolidados. Además, la conocida «línea A» de la carta de plasticidad probablemente lleva su nombre.
En 1932 se trasladó a la Universidad de Harvard, donde en 1946 fue nombrado titular de la nueva cátedra de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. Allí organizó un programa de posgrado que pasó de contar con 12 estudiantes en 1932 a más de 80 tras la Segunda Guerra Mundial. Entre 1942 y 1944, a petición del Army Corps of Engineers, formó intensivamente en mecánica de suelos aplicada a la construcción de aeródromos a unos cuatrocientos oficiales. Aunque Terzaghi llegaría posteriormente a Harvard con la ayuda de Casagrande para escapar de la inestabilidad política en Europa, lo cierto es que Casagrande trabajó prácticamente solo en la sección de mecánica de suelos debido a las prolongadas ausencias de Terzaghi y a su escaso interés por las tareas administrativas. El éxito del programa de Harvard, que hacía hincapié en los cursos de laboratorio y en el estudio detallado de la filtración, se debía claramente a Casagrande y su metodología serviría más tarde de modelo en universidades de todo el mundo.
En 1936, organizó la primera Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. Aunque Terzaghi consideraba que suponía un riesgo excesivo para una disciplina aún joven, el evento fue un éxito rotundo. La conferencia dio lugar a la creación de la actual International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE) y marcó el momento en que la mecánica de suelos se convirtió en una parte esencial de la ingeniería civil. Alec Skempton describió posteriormente el periodo comprendido entre la publicación de Erdbaumechanik (Terzaghi, 1925) y esta conferencia como la etapa formativa clave de la mecánica de suelos moderna.
En paralelo a su labor académica, Casagrande desarrolló una destacada actividad como consultor, especialmente en proyectos relacionados con presas de tierra y en la investigación de fallos en dichas estructuras. Su interés por las presas se refleja en sus estudios sobre la filtración y la licuefacción. Tras la Segunda Guerra Mundial, el Corps of Engineers le encargó investigar los posibles efectos de las explosiones atómicas sobre la estabilidad de los taludes del Canal de Panamá. Esta investigación lo convirtió en uno de los primeros especialistas en la investigación de la resistencia dinámica de los suelos. También fue él quien introdujo el término «licuefacción» en la literatura de mecánica de suelos, aunque posteriormente consideró que su uso era inadecuado para describir los fenómenos asociados a cargas sísmicas cíclicas e insistió en que el término debía reservarse para suelos que experimentaran un notable ablandamiento por deformación, lo que conlleva un comportamiento cercano al flujo.
Su reconocimiento internacional se reflejó en numerosos premios. Fue nombrado primer Rankine Lecturer por la British Geotechnical Association y recibió la prestigiosa distinción de Terzaghi Lecturer, otorgada por la ASCE. En su honor, se creó posteriormente el Arthur Casagrande Professional Development Award, destinado a impulsar la carrera de jóvenes ingenieros e investigadores en geotecnia. A lo largo de su carrera, escribió más de cien textos e informes sobre mecánica de suelos, asentamientos, comportamiento dinámico y problemas relacionados con presas y cimentaciones.
Arthur Casagrande falleció en Estados Unidos el 6 de septiembre de 1981, a los 79 años. Su legado científico y pedagógico sigue profundamente arraigado en la ingeniería geotécnica contemporánea. Su nombre sigue asociado a la rigurosidad experimental, la innovación técnica y la consolidación definitiva de la mecánica de suelos como disciplina moderna.
Os dejo un vídeo que resume los aspectos básicos de su biografía.
Karl von Terzaghi (1883–1963). https://www.tuwien.at/en/cee/geotechnik/igb/soil-mechanics-laboratory/terzaghi-archive
Karl von Terzaghi nació el 2 de octubre de 1883 en Praga, que por entonces formaba parte del Imperio austrohúngaro. Hijo del teniente coronel Anton von Terzaghi y de Amalia Eberle, creció en el riguroso ambiente cultural y disciplinario de la tradición militar austríaca. Desde niño, destacó por su curiosidad por la astronomía, la geografía y, más tarde, las matemáticas y la geometría. A los diez años ingresó en una escuela militar y, a los catorce, pasó a otra academia en Hranice, donde se graduó con honores. En 1900, inició estudios de ingeniería mecánica en la Universidad Técnica de Graz, donde reforzó su interés por la mecánica teórica, la geología, las ciencias naturales y la observación del paisaje, pasiones que conservaría toda su vida. Se graduó con honores en 1904, tras superar incluso un intento de expulsión.
Realizó el servicio militar obligatorio, durante el cual tradujo Outline of Field Geology, ampliándolo con nuevo contenido, lo que marcó el comienzo de su extensa producción escrita. Después, volvió a la universidad para estudiar asignaturas relacionadas con la geología y la ingeniería civil y publicó su primer artículo sobre las terrazas geológicas del sur de Estiria. Empezó su carrera profesional en la empresa Adolph von Pittel, donde participó en proyectos hidroeléctricos y llegó a encargarse del diseño y la construcción de estructuras de hormigón armado. Tras trabajar en presas de Croacia y pasar seis meses en Rusia, desarrolló métodos gráficos para tanques industriales que empleó en su tesis doctoral. En 1912 obtuvo el doctorado en Ciencias Técnicas por la Universidad Técnica de Graz.
Ese mismo año viajó por Estados Unidos para estudiar presas y obras hidráulicas, lo que amplió su visión sobre la ingeniería civil. Regresó a Austria en 1913, pero la Primera Guerra Mundial interrumpió su trayectoria: fue movilizado como oficial de ingenieros, llegó a dirigir hasta mil hombres y participó en misiones de combate, como la toma de Belgrado. Posteriormente, fue transferido a la aviación, donde fue comandante de la estación de ensayos aeronáuticos de Aspern.
Tras la guerra, se trasladó a Estambul, donde fue profesor en la Escuela Imperial de Ingeniería (posteriormente, la Universidad Técnica de Estambul) y también colaboró con el Robert College. Entre 1919 y 1925 llevó a cabo investigaciones experimentales fundamentales sobre permeabilidad, empujes en muros de contención y el comportamiento del suelo saturado. Durante este periodo, desarrolló sus primeras teorías unificadas y diseñó equipos experimentales originales. En 1925, publicó Erdbaumechanik auf Bodenphysikalischer Grundlage, la primera formulación integral de la mecánica de suelos moderna, en la que introdujo su mayor aportación conceptual: el principio de tensiones efectivas, piedra angular para comprender asentamientos, la resistencia al corte, la consolidación, la permeabilidad y la erosión.
Su obra llamó la atención a nivel internacional, especialmente en Estados Unidos, y ese mismo año fue invitado al MIT. Publicó artículos en la revista Engineering News-Record que contribuyeron a difundir sus ideas. En Cambridge, aunque tuvo dificultades académicas y administrativas, estableció el primer laboratorio estadounidense de mecánica de suelos y formó al joven Arthur Casagrande, que sería su asistente privado entre 1926 y 1932, y una figura clave en el desarrollo de métodos experimentales, de clasificación de suelos y de técnicas de campo. Ese mismo año, trabajó con Aurelia Schober Plath, quien tradujo manuscritos y amplió el alcance de su producción escrita. Durante este periodo, impartió cursos que sentaron las bases de los programas modernos de mecánica de suelos, desarrolló redes de flujo, métodos de medición de presiones de poros, estudios de consolidación y análisis de asentamientos, y formuló principios que todavía hoy estructuran la práctica geotécnica.
En 1928 conoció a la geóloga Ruth Dogget, con quien se casó poco después, y en 1929 aceptó una cátedra en la Technische Hochschule de Viena. Antes de instalarse, realizó consultorías en la URSS, experiencia que lo marcó políticamente: detestó el sistema soviético y se declaró en contra de él. Desde Viena, obtuvo gran prestigio internacional asesorando en proyectos en Europa, en el norte de África y en Rusia. Trabajó en inyecciones (grouting), en cimentaciones sobre diferentes suelos y en la ampliación de Erdbaumechanik. Su interés intelectual abarcaba no solo la ingeniería y la geología, sino también la filosofía, la ética, la literatura, la arquitectura, el arte, la música, las flores, los viajes, la conversación, la natación y la escritura. Era un lector y observador incansable, un excelente cronista y un prolífico corresponsal con una tendencia natural a clasificar el mundo: rocas, suelos, ideas, personas y fenómenos.
En 1935 tomó un año sabático en el que realizó una consultoría para los planes monumentales de Núremberg, donde llegó a discutir cuestiones de cimentación con Adolf Hitler, una experiencia que le resultó profundamente inquietante. En 1936, organizó y presidió en Harvard la Primera Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, germen de la ISSMGE. Poco después, regresó a Viena, donde se enfrentó a controversias profesionales —especialmente con Paul Fillunger— y a tensiones políticas en aumento. Su amarga reflexión resumió la situación: «Mi país me tachó de nazi, los nazis de bolchevique y los bolcheviques de conservador idealista. Solo uno podía tener razón… y fueron los bolcheviques». Para escapar de ese ambiente, se dedicó a consultorías en Inglaterra, Italia, Francia, Argelia y Letonia.
En 1938 emigró definitivamente a Estados Unidos y aceptó un puesto en la Universidad de Harvard, donde sentó las bases de la ingeniería geotécnica moderna. Allí impartió clases, investigó, publicó y trabajó como consultor en proyectos emblemáticos, como el metro de Chicago, las instalaciones navales de Newport News, el reflotamiento del Normandie y numerosas presas en Norteamérica. En marzo de 1943 se hizo ciudadano estadounidense.
Durante las décadas de 1940 y 1950, amplió su ámbito técnico para abarcar la clasificación de suelos y rocas, así como los fenómenos capilares. También estudió la tubificación y su prevención, así como el diseño y la construcción de presas de tierra, roca y hormigón sobre distintos tipos de cimentación. Trabajó en el análisis de redes de flujo bidimensionales y tridimensionales, así como en el diseño de anclajes para puentes colgantes. Desarrolló aportes importantes en ingeniería de túneles, pilas de cimentación, hincado de pilotes y en la compactación y mejora del terreno. Asimismo, investigó la ingeniería del permafrost y el diseño para prevenir socavaciones. Analizó la subsidencia regional causada por la extracción de petróleo y por el proceso de formación y colapso de sumideros. Finalmente, impulsó avances en la instrumentación de campo y de laboratorio, además de promover la documentación precisa de fallos. Su libro Soil Mechanics in Engineering Practice (junto con Ralph Peck) se convirtió en un clásico mundial.
En 1954, fue nombrado presidente del Consejo Consultivo de la Gran Presa de Asuán, cargo del que dimitió en 1959 debido a sus desacuerdos con los ingenieros soviéticos. Continuó asesorando en proyectos hidroeléctricos, en particular en Columbia Británica. Respecto a su jubilación, se citan con frecuencia dos fechas: 1953 y 1956. En ambos casos, continuó con su actividad docente y de consultoría durante varios años más.
En 1926, a los 43 años, se consolidó la evolución de sus objetivos vitales: tras haber cumplido su meta juvenil de formular una teoría analítica y empírica del comportamiento del suelo, dedicó su madurez a ajustarla y someterla a la realidad física mediante la práctica profesional. Su preocupación constante era la dificultad para conocer con suficiente antelación la morfología y las propiedades del terreno antes de construir. Esa inquietud lo llevó a desarrollar, junto con Ralph Peck, el método observacional, que se basa en la incorporación de mediciones y observaciones durante la ejecución para adaptar el diseño en tiempo real. Aunque fue un pionero teórico, solía decir que el ingeniero debía mantenerse en contacto con el comportamiento real del suelo y no dejarse cegar por modelos o teorías.
Su personalidad reflejaba ese rigor crítico: era un oyente excepcional, un lector apasionado, un observador meticuloso y un crítico severo de quienes se dejaban atrapar por teorías sin base empírica o de quienes no tenían teoría alguna. Defendía estrictos principios profesionales: aceptar solo encargos que pudiera manejar con competencia, asumir escenarios geotécnicos conservadores, examinar todos los ángulos de un problema, evitar simplificar en exceso el comportamiento del terreno, documentar fallos, publicar resultados y ajustar diseños según datos reales.
Fue un educador influyente en Estambul, el MIT, Viena y Harvard, así como conferenciante en Berlín, Texas e Illinois. Paradójicamente, desconfiaba de la educación formal cuando esta entorpecía la observación directa y admiraba a los «hombres hechos a sí mismos» que aprendían con los ojos y la mente abiertos.
A lo largo de su vida recibió numerosos honores: nueve doctorados honoris causa, cuatro Medallas Norman de la ASCE, la creación en 1960 del Premio Karl Terzaghi, la instauración en 1963 de la Karl Terzaghi Lecture y, más tarde, conmemoraciones como la emisión del sello austríaco de 1983 y el «Terzaghi Day». La presa Mission, en Columbia Británica, fue renombrada en 1965 como presa Terzaghi. Sus cenizas reposan en South Waterford (Maine).
Karl von Terzaghi murió el 25 de octubre de 1963, dejando un legado inmenso. Su combinación de teoría, observación, instrumentación, análisis, docencia y práctica sentó las bases del campo que hoy conocemos como ingeniería geotécnica y sus ideas siguen guiando esta disciplina en todo el mundo.
Os dejo un vídeo en el que se condensa parte de su biografía.
Pocas cosas simbolizan mejor la estabilidad que los cimientos de una construcción. Representan la frontera entre la arquitectura y la tierra firme. Sin embargo, bajo esa aparente solidez se esconde un enemigo persistente y silencioso: los suelos expansivos.
Lejos de ser una masa inerte, el suelo es un sistema vivo y dinámico que responde a los cambios de humedad con una energía capaz de fracturar losas, deformar zapatas y arruinar viviendas enteras.
Estos suelos, ricos en minerales arcillosos activos (principalmente montmorillonita o esmectita), pueden aumentar de volumen cuando se humedecen y contraerse al secarse, lo que provoca movimientos verticales y horizontales que, en muchos casos, superan la resistencia de las estructuras apoyadas sobre ellos. La magnitud de estos cambios depende de la mineralogía, la fracción de arcilla, la capacidad de intercambio catiónico y la succión matricial, es decir, la tensión negativa del agua en los poros del suelo.
Su comportamiento, descrito con precisión en la teoría de los suelos no saturados por Fredlund y Rahardjo (1993), convierte a estas arcillas en uno de los materiales más complejos y peligrosos de la ingeniería civil.
1. Un desastre oculto, más costoso que los terremotos.
Los suelos expansivos no acaparan titulares, pero su impacto económico es asombroso. Según Jones y Holtz (1973), este tipo de suelos causa más daños estructurales anuales que todos los demás fenómenos naturales combinados, incluidos los terremotos y las inundaciones. Krohn y Slosson estimaron que, solo en Estados Unidos, las pérdidas anuales ascendían a 7000 millones de dólares, una cifra que no ha dejado de crecer con la expansión urbana.
La causa de esta devastación radica en la naturaleza progresiva y acumulativa del fenómeno. Mientras que un seísmo actúa en segundos, la expansión del suelo opera día a día, modificando lentamente las condiciones de apoyo. Su carácter insidioso le ha valido el apodo de «el desastre oculto».
El daño estructural comienza con movimientos diferenciales de pocos milímetros, que al principio son imperceptibles, pero que con el tiempo se transforman en grietas en los muros, inclinaciones de losas o puertas que ya no cierran. Lo más preocupante es que estos síntomas suelen interpretarse como defectos de construcción, cuando en realidad son la manifestación visible de un proceso geotécnico profundo.
Agrietamiento de estructura por movimiento céntrico (Fredlund y Rahardjo, 1993)
2. La paradoja de la ligereza: las casas pequeñas son las más afectadas.
Resulta sorprendente que las estructuras ligeras se vean más afectadas por este fenómeno. Uno podría pensar que los edificios más pesados son los más susceptibles al movimiento del terreno, pero ocurre lo contrario.
Los suelos expansivos ejercen presiones de hinchamiento considerables, pero los proyectos a gran escala suelen incluir estudios de mecánica de suelos, pruebas de laboratorio (como las de hinchamiento libre o de volumen constante, según ASTM D4546) y diseños de cimentación apropiados. En cambio, las viviendas unifamiliares y las edificaciones ligeras, al considerarse de carga reducida, se construyen con escasa o nula investigación geotécnica y, a menudo, se basan en prácticas empíricas.
Fredlund (1993) señala que las estructuras que sufren mayores daños son precisamente aquellas que tuvieron un diseño de ingeniería menor antes de la construcción. A esto se suma un factor económico: los ingenieros geotécnicos suelen mostrarse reacios a intervenir en proyectos residenciales porque los honorarios son bajos en comparación con el alto riesgo de litigio. El resultado es un círculo vicioso: casas mal cimentadas sobre suelos hiperactivos que, con el tiempo, se deforman de forma irremediable.
3. La trampa de la compactación: cuando «mejorar» el terreno lo empeora.
A primera vista, compactar un suelo parece una acción positiva. En la mayoría de los casos, aumenta la densidad y la capacidad portante. Sin embargo, en los suelos expansivos, la compactación puede ser una trampa técnica.
Holtz y Gibbs (1956) demostraron que una compactación a alta densidad y bajo contenido de humedad incrementa significativamente el potencial de hinchamiento. Las partículas de arcilla, con carga negativa, se acercan tanto que acumulan una gran energía potencial de repulsión electrostática. Cuando posteriormente penetra agua, las moléculas se insertan entre las láminas cristalinas y las separan bruscamente, lo que provoca una expansión volumétrica explosiva.
El mismo estudio reveló que compactar por encima del contenido óptimo de agua reduce el potencial de expansión. En otras palabras, la práctica tradicional de buscar la máxima densidad seca puede resultar contraproducente. Comprender esta paradoja es esencial para la ingeniería moderna: no todos los suelos deben compactarse de la misma manera y, en algunos casos, un exceso de «mejora» puede acarrear un fracaso futuro.
4. Soluciones que desafían la lógica: cómo responde la ingeniería al suelo.
El reto de los suelos expansivos no consiste en vencer su fuerza, sino en comprender su dinámica. Por ello, las soluciones más efectivas no buscan resistir el movimiento del terreno, sino controlar la humedad o aislar la estructura de sus variaciones.
Entre las estrategias más estudiadas se encuentran:
Prehumedecimiento, una idea fallida: En teoría, saturar el suelo antes de construir debería eliminar su capacidad de expansión. En la práctica, esto rara vez funciona. Fredlund (1993) advierte que, durante el prehumedecimiento, las capas superiores se hinchan y sellan el suelo, impidiendo que el agua alcance los estratos más profundos. El resultado es una expansión parcial y una falsa sensación de seguridad, ya que el suelo parece estable hasta que, años después, las capas profundas se hidratan lentamente y la estructura comienza a levantarse.
Barreras capilares, el poder de una paradoja: Una de las técnicas más elegantes es la barrera capilar, que consiste en colocar sobre el suelo expansivo una capa de material granular grueso, como grava o arena. A simple vista parece absurdo: ¿cómo se puede proteger una arcilla del agua cubriéndola con un material permeable? Sin embargo, la física de los suelos no saturados demuestra que, cuando la grava se mantiene con baja saturación, su capacidad de transmisión capilar disminuye drásticamente y el agua infiltrada se almacena cerca de la superficie. Así, la humedad se evapora antes de llegar a las arcillas subyacentes. En palabras de Fredlund y Rahardjo (1993), esta técnica «reduce significativamente el flujo descendente de agua y estabiliza el régimen de humedad del perfil».
Estabilización química y control ambiental: El tratamiento con cal puede reducir la plasticidad y la actividad de las arcillas, convirtiéndolas en materiales prácticamente inertes. Asimismo, son indispensables el control del drenaje superficial, la prevención de fugas subterráneas y la exclusión de raíces profundas. No se trata solo de una cuestión estructural, sino también de una cuestión hidrológica y ambiental: la humedad del suelo debe mantenerse lo más constante posible.
Conclusión: hay que escuchar al suelo antes de construir.
El suelo no es un enemigo, sino un sistema natural que exige ser comprendido. Su comportamiento responde a leyes físico-químicas y climáticas que la ingeniería puede medir, modelar y respetar. Ignorarlas es, literalmente, construir sobre terreno inestable. El fenómeno de los suelos expansivos nos recuerda una verdad fundamental: no hay cimiento sólido sobre un terreno mal entendido. Cada grieta que aparece en una pared, cada losa que se levanta, es la voz del subsuelo que nos recuerda que el diseño estructural comienza mucho antes de colocar el primer ladrillo; comienza con el conocimiento del terreno.
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Hamilton, J. J. (1969). Effects of environment on the performance of shallow foundations. Canadian Geotechnical Journal, 6(1), 65–80.
1. ¿Qué es la compactación y por qué es importante?
La compactación de suelos es el proceso de aumentar la densidad de un terreno aplicando energía mecánica. En términos sencillos, consiste en hacer circular cargas elevadas sobre capas de suelo el número de veces necesario para alcanzar la densidad especificada. Al reducir los vacíos de aire en el suelo, se aumenta su resistencia, se reduce su capacidad de deformación y se disminuye su permeabilidad.
El objetivo principal de la compactación es mejorar las propiedades geotécnicas del suelo para garantizar la seguridad y durabilidad de las estructuras construidas sobre él, como carreteras, edificios o presas. La elección del equipo y del método de compactación no es universal, sino que depende de factores clave como la naturaleza del terreno, su contenido de humedad y la función que desempeñará el relleno compactado.
Para seleccionar y utilizar correctamente estos equipos, es esencial comprender los principios fundamentales que rigen su funcionamiento.
Figura 1. Distintos tipos de compactadores. https://www.noticiasmaquinaria.com/nuevos-modelos-de-la-serie-de-rodillos-tandem-de-hamm-en-conexpo/
2. Los cuatro esfuerzos elementales de la compactación.
Toda la maquinaria de compactación, desde un pequeño pisón manual hasta un rodillo de varias toneladas, aplica una combinación de cuatro esfuerzos básicos para densificar el suelo. Comprender estos mecanismos es el primer paso para dominar el proceso.
Tipo de esfuerzo
Mecanismo y efecto principal
Estático vertical
Aplica el peso de la máquina para comprimir el suelo. Produce tensiones fundamentalmente verticales que aprietan las partículas entre sí.
Amasado
Genera tensiones en múltiples direcciones, «amasando» el suelo para reordenar partículas. Es especialmente útil para romper terrones en suelos cohesivos.
Impacto
Aplica una fuerza súbita que propaga una onda de presión, alcanzando mayor profundidad que el esfuerzo estático.
Vibratorio
Aplica una sucesión rápida de impactos que reduce la fricción interna entre partículas, facilitando su reacomodo en una configuración más densa.
Es importante destacar que el tipo de esfuerzo aplicado influye directamente en la estructura final de las partículas del suelo. Un terreno más compactado presenta partículas más orientadas y ordenadas (menos «floculadas»). El efecto de ordenamiento es progresivamente mayor al aplicar esfuerzos en el siguiente orden: estático, vibratorio, de impacto y, por último, de amasado.
Ahora que conocemos la teoría que hay detrás de la compactación, podemos explorar los equipos que aplican estos esfuerzos en la práctica.
3. Tipos principales de equipos de compactación.
Los equipos de compactación se pueden clasificar según el principio de trabajo predominante que utilizan: la fuerza estática de su propio peso o la energía dinámica de la vibración.
3.1. Compactadores estáticos: la fuerza del peso.
Estos equipos dependen principalmente de su peso para compactar el suelo.
Principio de funcionamiento: utilizan cilindros metálicos lisos para aplicar presión estática. Su mecanismo de compactación es «de arriba hacia abajo», por lo que la capa superior recibe la mayor energía.
Suelos adecuados: arenas y gravas bien graduadas, limos y arcillas de baja plasticidad. No se recomiendan para arenas uniformes o arcillas blandas.
Limitación principal: existe el riesgo de compactar en exceso la superficie y crear una costra rígida conocida como «encarpetamiento», mientras que las capas inferiores quedan menos densas.
Figura 2. Apisonadora estática de rodillo liso tipo triciclo. Imagen: V. Yepes
3.1.2. Compactadores de patas apisonadoras («pata de cabra»)
Principio de funcionamiento: en lugar de un rodillo liso, utilizan cilindros con múltiples «patas» o salientes que penetran en el suelo. Esto concentra la presión y compacta el terreno «de abajo hacia arriba».
Suelos adecuados: son especialmente efectivos en arenas y gravas con más del 20% de finos, así como en la mayoría de los suelos de grano fino (suelos limo-arcillosos, arenas limosas y arcillosas).
Ventaja principal: la acción de las patas rompe los terrones y grumos del suelo, a la vez que mejora la trabazón (unión) entre las sucesivas capas de material compactado.
Figura 3. Rodillo remolcado pata de cabra. Imagen: V. Yepes (2021)
Principio de funcionamiento: combinan el esfuerzo estático de su peso con el efecto de amasado que se produce por la deformación de sus neumáticos de goma, un proceso que reordena las partículas sin romperlas ni aplastarlas.
Suelos adecuados: son eficaces en suelos algo cohesivos y rellenos de limos poco plásticos.
Ventaja clave: son muy versátiles. Se puede ajustar su efecto modificando dos variables principales:
Aumentar la presión de inflado: incrementa la compactación en la superficie.
Aumentar la carga por rueda: aumenta el efecto de compactación en profundidad.
Figura 4. Compactador con neumáticos con dibujo. http://www.corinsa.es/tecnologia/compactacion/compactacion-de-tierras/
Estos equipos añaden una fuerza dinámica a su peso estático, lo que los hace extremadamente eficientes.
3.2.1. Principio de funcionamiento
Mecanismo: la vibración de un cilindro o una placa, lo que elimina en gran medida la fricción interna entre las partículas del suelo. Así, las partículas se reordenan y alcanzan una mayor densidad con menos esfuerzo y en capas de mayor espesor. Es especialmente eficaz en terrenos granulares (arenas y gravas). Para hacerse una idea de su eficacia, la acción de un rodillo vibrante puede equivaler a la de un rodillo estático mucho más pesado: hasta ocho veces en suelos cohesivos y hasta doce veces en gravas y escolleras.
Regla de oro para su uso:
Materiales granulares (arenas, gravas): se compactan mejor con frecuencia alta y amplitud reducida.
Materiales cohesivos (arcillas, limos): prefieren más amplitud y menor frecuencia.
3.2.2. Tipos más comunes
Existen diversos modelos: los monocilíndricos (con rodillo liso o de patas), los de dos rodillos (tándem) y los mixtos (un rodillo y ruedas neumáticas). De todos ellos, los monocilíndricos autopropulsados son los más versátiles en la mayoría de las obras de movimiento de tierras.
Figura 5. Rodillo compactador vibratorio hidráulico de un solo tambor LSD216H. http://changlin.es/3-2-6-hydraulic-road-roller.html
3.3. Equipos para trabajos específicos
Para tareas específicas o en áreas de difícil acceso, se utilizan equipos más especializados.
Son máquinas de pequeño tamaño que son guiadas por un operario. Su principal ventaja es que pueden trabajar en espacios reducidos a los que no pueden acceder máquinas más grandes, por ejemplo, en la compactación de rellenos en zanjas o trasdoses de muros.
Este sistema es una alternativa más intensa que los rodillos vibratorios convencionales. Utiliza rodillos de perfil irregular (no cilíndricos) que, al girar a gran velocidad, generan impactos de alta energía. Su principal ventaja es la profundidad de su efecto, que puede alcanzar hasta cuatro o cinco metros.
Figura 6. Compactador de impacto de gran energía.
Una vez conocidos los tipos de equipos disponibles, el siguiente paso lógico es aprender a decidir cuál es el más adecuado para cada situación.
4. ¿Cómo elegir el equipo de compactación adecuado?
La elección del compactador no tiene una solución única, ya que depende de múltiples factores y, en última instancia, es una decisión económica. No obstante, para poder tomar una decisión técnica fundamentada, hay que tener en cuenta tres factores determinantes:
La naturaleza del material: es el factor más importante. Los suelos se pueden clasificar en tres grandes grupos:
Suelos finos: limos y arcillas.
Suelos de grano grueso: arenas y gravas.
Pedraplenes: materiales rocosos.
El estado del material: principalmente, su contenido de humedad. La humedad actúa como un lubricante entre partículas, pero un exceso o defecto puede dificultar enormemente la compactación.
El volumen, la forma de la zona a compactar y el ritmo de la obra: Un área grande y abierta permite el uso de máquinas de alto rendimiento. De hecho, suelen elegirse compactadores con una capacidad de producción superior a la de los equipos de excavación y transporte, para evitar que la compactación se convierta en un «cuello de botella» que retrase todo el proyecto.
La siguiente tabla ofrece una guía simplificada para la selección inicial del equipo en función del tipo de suelo.
Guía rápida para la selección de equipos por tipo de suelo.
Tipo de suelo
Equipos recomendados
Consideración clave
Suelos finos (limos y arcillas)
• Compactadores de patas apisonadoras
• Compactadores de neumáticos
El control preciso de la humedad es fundamental. Estos suelos son sensibles a un exceso o defecto de agua.
Suelos de grano grueso (arenas y gravas)
• Rodillos vibratorios
• Compactadores de neumáticos pesados
La vibración es extremadamente efectiva para reordenar las partículas en este tipo de material.
Pedraplenes (roca)
• Equipos vibratorios pesados (más de 10 toneladas)
Se necesita una gran energía de compactación debido al gran tamaño de los elementos rocosos.
Elegir el equipo adecuado no solo garantiza que se alcancen las especificaciones de densidad, sino que también optimiza el rendimiento y los costes del proyecto.
5. Conclusión: principios clave para el éxito de una compactación.
La compactación es una de las operaciones más importantes en la construcción, ya que de ella dependen la estabilidad y durabilidad de casi cualquier estructura. Aunque se trata de un tema amplio, un principiante puede sentar unas bases sólidas de conocimiento si se centra en dos principios fundamentales.
Para lograr una compactación eficaz, es esencial comprender y dominar los cuatro tipos de esfuerzos básicos (estático, de amasado, de impacto y vibratorio), así como la forma en que cada máquina los aplica.
Además, es importante entender que la elección del equipo depende principalmente del tipo de suelo. No hay una máquina universal: la clave del éxito es adaptar la herramienta al material con el que se trabaja.
Aquí tienes un vídeo introductorio a los compactadores.
A continuación, os dejo un resumen de las ideas más relevantes que un principiante debería conocer sobre la compactación de suelos. Espero que os resulte interesante.
Como profesionales de la ingeniería y la arquitectura, convivimos con una tensión permanente: garantizar la máxima seguridad de las estructuras mientras enfrentamos la presión de optimizar costes y reducir el impacto medioambiental. En el diseño de cimentaciones, esta tensión suele traducirse en incertidumbre y en un sobredimensionamiento conservador. Pero ¿qué sucede cuando uno de los supuestos básicos de nuestros cálculos se aleja de la realidad?
Un ejemplo claro es el módulo de reacción vertical del suelo, conocido como coeficiente de balasto o módulo de Winkler (Ks), un parámetro clave en el diseño de losas de cimentación que a menudo se interpreta incorrectamente y se obtiene de tablas genéricas con poco rigor. Una investigación reciente revela hallazgos significativos que cuestionan estas prácticas habituales y plantean alternativas para obtener cimentaciones más seguras, eficientes en costes y de menor impacto medioambiental.
Este artículo sintetiza una investigación publicada en la revista del primer decil del JCR, Environmental Impact Assessment Review, en la que se presenta una metodología rigurosamente formulada para la estimación directa del módulo (Ks) en cimentaciones por losa, superando las deficiencias clave de los enfoques convencionales. Su principal aportación es un modelo directo que integra la teoría del semiespacio elástico, el análisis de asientos en suelos multicapa y la mecánica de consolidación edométrica, considerando explícitamente la profundidad de influencia y los efectos de la compensación de cargas. La investigación se enmarca en el proyecto RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. A continuación, se presenta un resumen del trabajo y de la información de contexto.
El estudio introduce un coeficiente de seguridad específico para Ks, lo que constituye una innovación que aborda la incertidumbre geotécnica y fortalece la fiabilidad del diseño en los estados límite de servicio. Esta metodología se integra en un marco de evaluación del ciclo de vida y decisión multicriterio (MCDM) que utiliza un proceso híbrido de AHP neutrosófico en grupo (NAHP-G) y ELECTRE IS para evaluar alternativas de diseño de cimentaciones según criterios económicos, ambientales y sociales.
Aplicado a un caso de estudio real, el método propuesto (denominado 3-NEW) demuestra ser la solución más sostenible. El diseño resultante (A3) mejora el rendimiento de sostenibilidad global en un 50 % y aumenta el índice de seguridad social en 2,5 veces en comparación con las metodologías de referencia. Este trabajo establece un marco unificado que avanza en la práctica del diseño geotécnico, optimiza el uso de materiales y alinea el diseño de cimentaciones con los principios de resiliencia y de economía circular.
A continuación os dejo algunas ideas clave contenidas en este estudio.
1. El módulo de balasto (Ks) no es una propiedad del suelo, sino una consecuencia de la interacción.
La primera idea consiste en entender que el módulo de balasto (Ks) no es una constante intrínseca del terreno, como el peso específico o la cohesión, que podamos consultar en una tabla. Se trata de un concepto más complejo. Es un parámetro variable que depende de la carga y de la profundidad de su influencia.
Esto significa que el módulo de balasto es el resultado de la interacción entre la cimentación (su tamaño y rigidez) y el terreno bajo una carga específica. Depende de la carga transmitida, de la geometría de la losa y de la profundidad del bulbo de presión generado. Este cambio de perspectiva es crucial, pues nos obliga a abandonar las tablas genéricas y a realizar un cálculo adaptado a las condiciones reales de cada proyecto. Así, reconocemos que el «mismo» suelo se comportará de manera diferente bajo una pequeña zapata que bajo una gran losa de un edificio. Esta idea, conocida en el ámbito geotécnico, no debería pasarse por alto.
2. Los métodos tradicionales no explican ni integran la paradoja de la rigidez infinita en cimentaciones totalmente compensadas.
Cuando se proyectan cimentaciones con sótanos, la excavación compensa parte de la carga del edificio al retirar el peso del suelo existente. En estos casos, los métodos convencionales de cálculo de Ks (el 1-BAS, un método empírico, y el 2-REF, un método semidirecto) o no tienen en cuenta la «paradoja del balasto infinito» (1) o no la integran ni la armonizan (2).
Si la carga neta transmitida al terreno es próxima a cero o negativa, la deformación generada por la cimentación tiende a cero, ya que la profundidad de influencia del bulbo de tensiones tiende a cero y, por tanto, el valor del balasto vertical tiende a infinito. Con la propuesta metodológica del trabajo (3-NEW, un método directo), se resuelve esta paradoja al vincular Ks directamente con los asientos elásticos reales y con las cargas transmitidas por la estructura, lo que explica el fenómeno físico y elimina la paradoja en el cálculo mediante un límite mínimo de la profundidad de influencia (el 5 % de la carga bruta transmitida). En escenarios totalmente compensados, el método regula la respuesta mediante umbrales y el factor de seguridad (FS), evitando así resultados físicamente inconsistentes.
3. Estamos olvidando el factor de seguridad donde más importa: en los asientos.
En geotecnia, es habitual aplicar un factor de seguridad (FS) de entre 2,5 y 3,0 frente a la rotura del terreno. Sin embargo, cuando el diseño se basa en el límite de asientos (algo muy común en grandes losas), aplicamos un factor de seguridad de 1,0.
Se debería buscar una mayor coherencia en esta práctica, ya que, como señala la investigación, los límites de servicio (como los asientos) quedan desprotegidos frente a la variabilidad e incertidumbre del subsuelo. En otras palabras, no dejamos margen de seguridad para proteger la estructura frente a la fisuración, las deformaciones excesivas o los daños en los acabados, que son consecuencia directa de los asientos. La investigación propone un factor de seguridad formal para el cálculo de Ks (FS = 1,2 en condiciones estándar), lo que permite armonizar la seguridad en los estados límite últimos y de servicio.
4. El diseño más seguro resultó también el más sostenible en su ciclo de vida.
El estudio comparó tres alternativas de diseño (A1-BAS, A2-REF y A3-NEW) mediante un análisis de sostenibilidad del ciclo de vida. Inicialmente, la alternativa A1 (diseñada con el método tradicional) parecía la más rentable en términos de costes y emisiones de CO₂.
Sin embargo, al introducir el criterio social de seguridad, que cuantifica la fiabilidad estructural y la seguridad para los usuarios y se deriva del nuevo marco de cálculo, la alternativa A1 fue penalizada drásticamente. La ganadora fue la alternativa A3 (diseñada con el nuevo método), no por ser la mejor en un único aspecto, sino por ofrecer el mejor equilibrio global, destacando en el criterio clave de seguridad. De hecho, A3 consiguió una mejora relativa del 50 % en el rendimiento agregado de sostenibilidad. En la práctica, esto se tradujo en un diseño que, en comparación con la alternativa A2, redujo los costes de construcción en un 12,5 % y, en comparación con la alternativa A1, disminuyó los costes de mantenimiento a largo plazo en casi un 24 %, lo que demuestra que la seguridad y la eficiencia económica pueden ir de la mano.
5. Una mayor precisión en el cálculo no implica un sobrecoste, sino un uso más eficiente del suelo.
Un análisis más riguroso de un problema no tiene por qué dar soluciones conservadoras y, por tanto, costosas. Este estudio demuestra lo contrario. Al comparar la presión admisible bruta (Qba) que el terreno puede soportar sin exceder los asientos permitidos, los resultados fueron reveladores:
Método convencional (2-REF): Qba = 0,146 MPa.
Nuevo método propuesto (3-NEW): Qba = 0,265 MPa.
Este notable aumento no se debe a una alteración del suelo, sino a que el nuevo método modela con mayor precisión la interacción suelo-estructura, considerando la profundidad de influencia (19 metros en este caso) y los asientos elásticos reales, lo que evita el conservadurismo innecesario de los métodos simplificados. Esta mayor eficiencia se traduce directamente en un diseño más optimizado y competitivo. Esta optimización no solo reduce costes, sino que también minimiza el consumo de hormigón y acero, lo que la convierte en un pilar fundamental de la construcción sostenible.
Conclusión
Hemos visto que el módulo de balasto no es una propiedad intrínseca del suelo, sino una interacción dinámica; que los métodos tradicionales caen en paradojas; que, en algunos casos, pueden comprometer la seguridad donde más importa; y que, al corregir estos errores, el diseño más seguro también se revela como el más sostenible y eficiente. Al abandonar las simplificaciones anticuadas o demasiado conservadoras y adoptar modelos que reflejen la realidad de la interacción suelo-estructura, no solo podremos construir con mayor confianza, sino también de manera más inteligente y responsable con nuestros recursos.
Así pues, nos surge una pregunta final: si los cimientos de nuestros edificios se basan en principios desactualizados, ¿qué otras suposiciones fundamentales de la ingeniería debemos reexaminar para construir un futuro más resiliente?
Figura 1. Detalle de cajones de blindaje Robust BOX. Fuente: www.atenko.com
1. ¿Qué es una entibación y cuándo es necesaria en construcción?
Una entibación es un sistema provisional de contención de tierras compuesto por elementos (metálicos o de madera) que se apuntalan entre sí. Su función principal es evitar el derrumbe de las paredes verticales en excavaciones como zanjas, minas, galerías subterráneas o pozos. Se utiliza cuando no es posible crear un talud estable que impida los desprendimientos o restrinja los movimientos del terreno. También es crucial cuando la profundidad de la zanja supone un peligro para los trabajadores, en concreto a partir de 1,30 m en terrenos cohesivos y 0,80 m en terrenos no cohesivos, siempre que no haya otras solicitaciones adicionales. No sería necesaria una entibación si la excavación presenta taludes estables (45° en suelos no cohesivos, 60° en suelos cohesivos o 80° en suelos rocosos), pero factores desfavorables, como vibraciones fuertes o rellenos mal compactados, pueden hacerla indispensable. Además, es fundamental para evitar sifonamientos en suelos no cohesivos por debajo del nivel freático.
2. ¿Cuáles son los principales tipos de entibaciones de madera y sus aplicaciones?
Las entibaciones de madera se clasifican principalmente en dos tipos, según la disposición de sus tablas y el tipo de terreno:
Entibaciones con tablas horizontales: Se usan en terrenos cohesivos y autoestables durante la excavación. La excavación y la entibación se van alternando cada 0,80-1,30 m, apuntalando las tablas de lado a lado con codales o rollizos hasta alcanzar la profundidad total.
Entibaciones con tablas verticales: Ideales para terrenos sin cohesión, como arenas sueltas o lodazales. Las tablas verticales con punta se hincan con una maza antes de excavar y pueden alcanzar hasta 2 m de profundidad. A medida que se hincan, se colocan las correas o cabeceros y se apuntalan.
Figura 2. Entibación de madera. http://www.generadordeprecios.info/rehabilitacion/Acondicionamiento_del_terreno/Recalces/Entibaciones/
Además, las entibaciones de madera se clasifican según el porcentaje de superficie de excavación que cubren:
Entibación cuajada: Cubre el 100 % de las paredes, con tablones contiguos, y se utiliza en gravas, arenas sueltas, limos y arcillas blandas de escasa consistencia.
Entibación semicuajada: Cubre el 50 % de las paredes, con tablones separados unos 0,75 m, y se emplea en terrenos suficientemente compactos.
Entibación ligera: Cubre menos del 50 %, sin tableros, solo cabeceros apuntalados por codales separados entre 1,5 y 2 m. Se emplea también en terrenos compactos.
Aunque han sido reemplazadas en gran medida por sistemas metálicos por razones económicas y de velocidad, las entibaciones de madera siguen siendo útiles en zanjas con muchas tuberías transversales o cuando el transporte de otros sistemas no es posible.
3. ¿Qué es un muro berlinés y en qué situaciones se recomienda su uso?
Un muro berlinés es un sistema de entibación temporal que consiste en perfiles metálicos hincados verticalmente en el terreno y separados entre sí, de modo que se pueden insertar tablones de madera para contener las tierras. Es una técnica segura y económica para excavaciones de poca o media profundidad (normalmente de 3 a 8 metros) en terrenos poco estables, como suelos arenosos o finos.
Se clasifica como un muro flexible y «abierto», lo que significa que no impide el paso del agua subterránea, por lo que es necesario agotar el nivel freático de forma simultánea durante la excavación. No se recomienda su uso cerca de cimentaciones existentes ni en caso de presencia de nivel freático. Su proceso constructivo consiste en hincar perfiles de doble T a intervalos regulares y, a medida que se excava, colocar los tablones de madera entre las alas de los perfiles. La colocación de los perfiles en perforaciones preejecutadas minimiza los ruidos y las vibraciones en zonas urbanas, y la fácil manipulación de los tablones permite dejar espacios para las instalaciones existentes.
Figura 3. Muro berlinés
4. ¿Cuáles son las principales ventajas de las entibaciones metálicas frente a las de madera?
Las entibaciones metálicas, que a menudo están prefabricadas y están compuestas por paneles de aluminio o acero, presentan varias ventajas significativas con respecto a las de madera:
Rentabilidad y productividad: Son más económicas y rápidas de instalar debido a su ligereza, sencillez de colocación y menor necesidad de mano de obra.
Seguridad: Se montan y desmontan desde el exterior de la excavación con maquinaria, lo que reduce el riesgo para los operarios.
Reutilización y durabilidad: Pueden reutilizarse en numerosas ocasiones, con un mínimo mantenimiento y una larga vida útil.
Versatilidad: Permiten excavar zanjas de diversas anchuras y profundidades, independientemente de la longitud de la tubería que se vaya a instalar.
Eficiencia: El ritmo de colocación de tuberías es alto, ya que la excavación y la entibación se realizan simultáneamente.
Minimización de alteraciones: El extremo inferior de las entibaciones no llega al fondo de la excavación, por lo que no se alteran los rellenos laterales de los tubos al extraerlas y se mantiene la homogeneidad y compactación de los rellenos.
Extracción sencilla: En suelos expansivos, se puede regular la separación entre los paneles para relajar las presiones del suelo antes de la extracción y facilitar el proceso.
5. ¿Qué tipos de entibaciones con paneles metálicos existen y para qué profundidades son adecuadas?
Existen dos grandes familias de entibaciones con paneles metálicos, adecuadas para diferentes profundidades:
Sistemas de cajones de entibación (blindajes o escudos): Se recomiendan para profundidades máximas de 4 metros. Estos cajones están formados por dos paneles unidos por codales de longitud regulable y se utilizan no solo para el sostenimiento, sino también para proteger a los trabajadores. Se ensamblan en obra y pueden usarse en terrenos no cohesivos. Para profundidades mayores, su extracción se vuelve difícil y puede causar descompensaciones del terreno.
Sistemas con guías deslizantes (paneles con guías deslizantes): Ideales para profundidades superiores a 4 metros. Están formados por paneles de acero que se deslizan a lo largo de unas guías laterales unidas por codales. Son especialmente ventajosos en terrenos no cohesivos y permiten alcanzar mayores profundidades con dimensiones variables. Su diseño garantiza un deslizamiento suave y mantiene el paralelismo entre las planchas, lo que elimina los problemas de asentamiento.
También se menciona la entibación ligera con paneles de aluminio para suelos cohesivos, que no debe superar los 2,40 m de profundidad y que se utiliza comúnmente como blindaje del borde de zanjas de hasta 1,75 m para proteger aceras y calzadas en zonas urbanas. También se describe el sistema de entibación por presión hidráulica, con una profundidad recomendada de hasta 7 m. Este sistema es ideal para reparar conductos o instalar tuberías y es adecuado para trabajos arqueológicos, ya que no transmite vibraciones.
Figura 4. Entibadora hidráulica Pressbox Serie 800. Cortesía SBH Tiefbautechnick
6. ¿Cuáles son las medidas de seguridad más importantes a la hora de trabajar con entibaciones metálicas?
La seguridad es primordial al utilizarlas. Entre las medidas de prevención comunes y esenciales se incluyen:
Certificación y cumplimiento: Se deben emplear sistemas certificados que sigan estrictamente las instrucciones del fabricante, y verificar que las condiciones reales de la obra coincidan con el proyecto y las cargas admisibles.
Manipulación segura: Al manipular los paneles, el enganche debe realizarse en los cuatro puntos designados, utilizando eslingas y cadenas en perfecto estado y con marcado CE.
Protección completa de la excavación: Las entibaciones deben proteger toda la superficie excavada y sobresalir al menos 15 cm de la coronación de la zanja o pozo para evitar desplomes del frente de la excavación.
Orden de instalación y desinstalación: La entibación se ejecuta de arriba hacia abajo, mientras que el desentibado se realiza en orden inverso, de abajo hacia arriba, manteniendo la estabilidad de la excavación y rellenando y compactando simultáneamente.
Distancias de protección: Se deben respetar distancias de protección de al menos 0,60 m alrededor de la entibación, incluida la maquinaria.
Acceso seguro: Se deben disponer escaleras aseguradas para acceder a las zanjas, que deben sobrepasar al menos un metro del borde. Queda estrictamente prohibido subir y bajar por los codales.
7. ¿En qué se diferencia el método de descenso directo del método de descenso escalonado para la instalación de cajones de entibación?
Ambos métodos consisten en la instalación de cajones de blindaje o escudos, pero se aplican en condiciones del terreno diferentes:
Método de descenso directo (o de ajuste): En este método, la entibación se introduce completa hasta el fondo de una zanja ya excavada. Es adecuado para paredes de excavación estables y verticales, y cuando la zanja tiene la misma anchura que la entibación. El espacio entre la cara exterior del blindaje y el frente de excavación debe ser mínimo y rellenarse para evitar movimientos laterales del cajón. La instalación se realiza con maquinaria sencilla, como una retroexcavadora o una pequeña grúa.
Método de descenso escalonado (o de «corte y bajada»): Este método se utiliza para cajones provistos de bordes cortantes y es más adecuado para terrenos menos estables. Consiste en empujar cada panel con la cuchara de una pala excavadora, alternando el descenso con la excavación y la retirada del suelo. El avance en el descenso no debe exceder los 0,50 m del borde inferior de la plancha, lo que permite un control más gradual y seguro en condiciones en las que la zanja no puede permanecer abierta sin soporte.
8. ¿Qué papel juega el tipo de terreno en la selección de un sistema de entibación?
El tipo de terreno es un factor determinante a la hora de elegir el sistema de entibación más adecuado, ya que influye directamente en su estabilidad y en el empuje que ejercerá sobre las estructuras de contención.
Terrenos cohesivos (arcillas, limos firmes): Pueden ser autoestables durante periodos cortos. Las entibaciones con tablas horizontales son útiles para excavaciones alternas. Para entibaciones metálicas ligeras, los sistemas de cabeceros verticales son adecuados para suelos estables. En general, se requiere menos cobertura (entibación ligera o semicuajada) si son suficientemente compactos, pero a mayor profundidad o con solicitaciones externas (vial, cimentación), se necesitarán entibaciones más robustas (semicuajadas o cuajadas).
Terrenos no cohesivos o blandos (arenas sueltas, gravas, lodazales): Son inestables y propensos al desplome inmediato. Requieren entibaciones que cubran la totalidad de las paredes (entibación cuajada de madera) o sistemas de contención continua. Para las entibaciones de madera se emplean tablas verticales que se hincan antes de excavar. Las entibaciones metálicas con guías deslizantes son muy recomendables a partir de los 4 m de profundidad en terrenos flojos y no cohesivos, al igual que los cajones de blindaje para profundidades máximas de 4 m.
Terrenos con nivel freático: La presencia de agua subterránea añade complejidad. Las entibaciones «abiertas», como el muro berlinés, requieren un agotamiento simultáneo del nivel freático. En suelos no cohesivos por debajo del nivel freático, es esencial utilizar una entibación para evitar el peligro de sifonamiento.
La Norma Tecnológica NTE-ADZ establece recomendaciones específicas sobre los tipos de entibaciones de madera (ligera, semicuajada y cuajada) en función del tipo de terreno, solicitación (sin solicitación, vial o de cimentación) y profundidad de corte, y hace hincapié en la necesidad de realizar estudios pertinentes en caso de duda.
Os dejo un vídeo y un audio que resume este tema:
Glosario de términos clave
Acodalado: Se refiere a elementos estructurales que están soportados o apuntalados lateralmente por codales o puntales, proporcionando estabilidad contra movimientos horizontales.
Andamios: Estructuras auxiliares provisionales que sirven para elevar materiales y permitir el acceso de los trabajadores a distintos puntos de una obra.
Apeos: Estructuras provisionales diseñadas para sostener una parte de una edificación o terreno que se encuentra en riesgo de colapso, descargando el peso sobre elementos más estables.
Berma: Plataforma horizontal o escalón que se forma en el talud de una excavación o terraplén para mejorar su estabilidad, reducir la altura de la entibación o facilitar el acceso.
Cimbra: Estructura provisional de apoyo utilizada para sostener un arco, bóveda o losa de hormigón durante su construcción, hasta que adquiere la resistencia necesaria.
Codal: Elemento horizontal, generalmente un puntal o rollizo, que se coloca entre las paredes de una zanja o entre los paneles de una entibación para mantener su separación y resistir el empuje del terreno.
Cohesivo (terreno): Tipo de suelo que posee cohesión entre sus partículas (como las arcillas o limos), lo que le permite mantener una forma sin desmoronarse fácilmente.
Encofrado: Estructura temporal que moldea el hormigón fresco hasta que este fragua y adquiere su forma y resistencia definitiva.
Entibación: Sistema de contención provisional de tierras, compuesto por elementos de madera o metálicos, acodalados entre sí, para evitar el desplome de las paredes de excavaciones.
Entibación cuajada: Entibación de madera que cubre la totalidad de las paredes de la excavación, con los tablones situados uno a continuación del otro. Se usa en terrenos de muy escasa consistencia.
Entibación ligera: Entibación de madera que cubre menos del 50% de las paredes de la excavación, utilizando principalmente cabeceros apuntalados por codales. Se aplica en terrenos compactos.
Entibación semicuajada: Entibación de madera donde los cabeceros se unen con tablas verticales que cubren el 50% de las paredes de la excavación, con tablones separados aproximadamente 0,75 m. Se usa en terrenos compactos.
Nivel freático: Nivel superior de la capa de agua subterránea que satura el suelo. Su presencia afecta la estabilidad del terreno y la necesidad de entibaciones impermeables o sistemas de agotamiento.
No cohesivo (terreno): Tipo de suelo cuyas partículas no tienen cohesión entre sí (como las arenas o gravas), lo que lo hace propenso a desmoronarse si no se contiene.
Muro berlinés: Entibación temporal formada por perfiles metálicos (generalmente doble T) hincados verticalmente, entre los cuales se insertan tablones de madera para contener el terreno. Es de tipo flexible y «abierto» al agua subterránea.
Panel metálico: Componente prefabricado, generalmente de aluminio o acero, utilizado en sistemas de entibación moderna. Ofrecen ligereza, rapidez de instalación y alta resistencia.
Rollizo: Tronco de árbol sin labrar o descortezar, utilizado comúnmente como codal o puntal en entibaciones de madera.
Sifona miento: Fenómeno que ocurre en suelos no cohesivos bajo el nivel freático, donde el flujo de agua ascendente puede arrastrar partículas de suelo, provocando la pérdida de estabilidad y posibles desplomes.
Tablas (de madera): Elementos planos de madera, de un espesor determinado, utilizados para conformar las paredes de las entibaciones de madera, ya sea en disposición horizontal o vertical.
Tablestacas: Elementos prefabricados, generalmente metálicos o de hormigón, que se hincan en el terreno para formar una pantalla continua de contención, a menudo utilizada en entibaciones o muros pantalla.
Talud: Inclinación o pendiente de una superficie de terreno. En excavaciones, un talud estable es aquel que no requiere entibación para evitar el desplome.
Zanja: Excavación alargada y estrecha realizada en el terreno, generalmente para la instalación de tuberías, cables o cimentaciones.
Referencias:
GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.
GONZÁLEZ CABALLERO, M. (2001). El terreno. Edicions UPC, Barcelona, 309 pp.
IZQUIERDO, F.A. (2001). Cuestiones de geotecnia y cimientos. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 227 pp.
LAMBE, T.W.; WHITMAN, R.V. (1996). Mecánica de suelos. Limusa, México, D.F., 582 pp.
MINISTERIO DE FOMENTO (2002). Guía de Cimentaciones. Dirección General de Carreteras.
Figura 1. Cuchara bivalva para construir pantallas. Por GK Bloemsma – Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/
1. ¿Qué es un muro pantalla y qué funciones principales tiene en el campo de la cimentación?
Un muro pantalla es una técnica de cimentación profunda que se empezó a desarrollar en la década de 1950. Su principal característica es que se trata de una contención flexible que también cumple una función de cimentación. Las funciones principales de los muros pantalla son las siguientes:
Contención de tierras: Especialmente útil en situaciones donde la estabilidad de la excavación es difícil y existe preocupación por la seguridad de edificios colindantes.
Cimentación profunda: Proporciona una base sólida para estructuras.
Impermeabilización: Existen pantallas diseñadas específicamente, a menudo con cemento-bentonita, para evitar la filtración de agua.
Combinaciones de las anteriores: Muchos proyectos requieren una combinación de estas funciones para abordar desafíos complejos del terreno y la construcción.
Los cambios de forma y los movimientos de flexión que experimentan los muros pantalla influyen significativamente en la distribución y magnitud de los empujes del suelo, así como en las resistencias y acciones mutuas entre el suelo y la estructura.
2. ¿Cómo se clasifican los muros pantalla según su trabajo estructural y su función?
Los muros pantalla se clasifican de diversas maneras para adaptarse a distintas necesidades constructivas y geológicas.
Según su trabajo estructural, se pueden clasificar de la siguiente forma:
Pantallas en voladizo: Se introducen en el terreno a una profundidad suficiente para asegurar su fijación, aprovechando la resistencia pasiva del suelo.
Pantallas ancladas: Se utilizan cuando la profundidad de excavación es considerable (generalmente > 7-8m). Su estabilidad se confía a la resistencia pasiva de la parte enterrada y a uno o varios niveles de anclajes. Se subdividen en:
De soporte libre (o articuladas): El empotramiento es mínimo, comportándose como una viga doblemente apoyada.
De soporte fijo (o empotradas): El empotramiento es suficiente para que el movimiento en su base sea insignificante, actuando como una viga apoyada-empotrada.
Pantallas arriostradas: Sustituyen los anclajes por estampidores (puntales).
Pantallas acodaladas (entibaciones): Utilizan elementos de arriostramiento para la contención.
Pantallas atirantadas: Similares a las ancladas, pero el término puede implicar una mayor rigidez o elementos de tracción más permanentes.
Pantallas con contrafuertes: Refuerzos estructurales que aumentan su rigidez y capacidad de contención.
Según su función, se distinguen:
Pantallas de impermeabilización: Diseñadas para crear una barrera contra el flujo de agua (ej. con cemento-bentonita).
Pantallas de contención de tierras: Su propósito principal es retener el suelo.
Pantallas de cimentación (cimentación profunda): Actúan como elementos de apoyo para la estructura.
Pantallas combinaciones de las anteriores: Lo más común, buscando una solución multifuncional.
3. ¿Cuáles son los métodos de excavación de bataches para la construcción de muros pantalla y cuándo se utiliza cada uno?
La excavación de los bataches (paneles que conforman el muro pantalla) es un paso crítico que se lleva a cabo mediante dos métodos principales:
Medios convencionales (cuchara al cable o hidráulica). Estos métodos se utilizan en condiciones de terreno normales y profundidades típicas:
Cuchara de cable: El cierre es mecánico. Su ventaja es que la grúa excavadora puede usarse como auxiliar para hormigonado e izado de armaduras.
Cuchara hidráulica: El cierre y el giro son hidráulicos. Son más fáciles de manejar y producen menos excesos de hormigón que las de cable, aunque requieren una grúa auxiliar para armadura y hormigonado.
Hidrofresa. Este método se emplea en situaciones más exigentes debido a sus características de precisión y capacidad. Se utiliza cuando:
La dureza del terreno es excesiva.
Se requiere una verticalidad estricta (por debajo del 0,5 %).
Se alcanzan grandes profundidades (superiores a 45 metros).
Antes de la excavación, es necesario construir muretes guía que dirijan la herramienta, aseguren la verticalidad de los paneles y sirvan de soporte estable para la extracción de las juntas. Durante la excavación, puede ser necesario utilizar lodos tixotrópicos (bentoníticos) o polímeros para mantener la estabilidad de las paredes.
Figura 2. Vista de murete guía. http://www.estructurasmaqueda.com
4. ¿Qué función cumplen los lodos tixotrópicos (bentoníticos) y los polímeros en la construcción de las pantallas y en qué se diferencian?
Los lodos tixotrópicos (principalmente bentoníticos) y los polímeros son fundamentales para el sostenimiento de las excavaciones de muros pantalla, sobre todo cuando la estabilidad del terreno lo requiere.
Lodos tixotrópicos (bentoníticos):
Funciones: Mantener las paredes de la excavación (evitando derrumbes), mantener los sólidos en suspensión y lubricar la herramienta de perforación.
Mecanismo de acción: Forman una «torta» (cake) impermeable en la pared de la excavación. Esta película permite que la presión hidrostática de la columna de lodo actúe contra las paredes, estabilizándolas. Para que el «cake» se forme, es necesaria cierta filtración del lodo, por lo que son efectivos en suelos permeables (arenas) pero inútiles en arcillas.
Propiedades: Son fluidos no newtonianos cuya viscosidad aumenta al dejarlos en reposo (tixotropía), manteniendo los sólidos en suspensión gracias a un esfuerzo umbral (yield point).
Contaminación: Si se contaminan, floculan y pierden su funcionalidad. Se puede añadir polímero celulósico para protegerlos y aumentar su yield point sin incrementar excesivamente la viscosidad (útil en gravas).
Polímeros:
Alternativa a la bentonita: Pueden sustituir total o parcialmente a los lodos bentoníticos en condiciones particulares.
Ventajas medioambientales: Son biodegradables con el tiempo o se pueden destruir rápidamente con agentes oxidantes (lejía, agua oxigenada) o bacterias específicas.
Mecanismo de acción: A diferencia de la bentonita, no forman un «cake» externo efectivo. Las largas cadenas poliméricas se infiltran en el terreno y unen sus partículas por tracción iónica, creando un «cake» interno. Esto permite que la presión hidrostática del lodo actúe contra el terreno cohesionado.
Limitaciones: Carecen de un «yield-point» efectivo (salvo excepciones), por lo que solo se pueden emplear en terrenos de baja permeabilidad (10-5 a 10-6 m/seg).
Otras características: No necesitan desarenadores, ya que los sólidos en suspensión decantan rápidamente. Se dividen en polares (aniónicos y catiónicos) y apolares, siendo estos últimos más resistentes a ataques químicos.
En resumen, los lodos bentoníticos dependen de la formación de una «torta» externa y son adecuados para suelos permeables, mientras que los polímeros actúan por infiltración y cohesión interna, siendo idóneos para suelos de baja permeabilidad y ofreciendo ventajas medioambientales.
5. ¿Cuáles son los pasos clave en la ejecución convencional de muros pantalla después de la excavación y qué consideraciones son importantes en cada uno?
Una vez completada la excavación del batache y, si es necesario, sostenida con lodos, los siguientes pasos en la ejecución convencional de muros pantalla son los siguientes:
Desarenado de los lodos: Si se utilizaron lodos y su contenido de arena supera el 5 %, es imprescindible desarenarlos mediante centrifugado en hidrociclones. De no hacerlo, la arena decantaría sobre el hormigón, formando bolsas que comprometerían la calidad del muro.
Colocación de la armadura: La armadura debe atender a varias consideraciones:
Debe tener un esqueleto suficientemente rígido para mantener su forma durante la manipulación.
Para armaduras de gran longitud, se debe eslingar por distintos puntos a lo largo de su alzado; para las cortas, disponer de asas de izado.
Debe dejar espacio suficiente para la tubería tremie que se usará para el hormigonado.
Se deben colocar separadores (metálicos o de hormigón) para asegurar el recubrimiento mínimo de 75 mm según la normativa UNE.
Hormigonado de las pantallas: Se utiliza la técnica del hormigón sumergido, necesaria cuando no es posible vibrar el hormigón (como ocurre bajo lodos).
El hormigón se introduce a través de una tubería tremie que debe permanecer introducida 5m en el hormigón (o 3m en seco), subiéndose a medida que el hormigonado avanza.
Para paneles de más de 5 m de longitud, se usan dos tuberías tremie.
Los lodos se van evacuando a medida que el hormigón asciende.
La duración total del hormigonado debe ser inferior al 70 % del tiempo de inicio de fraguado.
Se utiliza un hormigón de consistencia líquida (cono 16-20 NTE o 18-21 UNE-EN-1538).
El hormigón debe subir lo más horizontal posible dentro del panel.
Extracción de la junta: Existen diferentes tipos de juntas para asegurar la continuidad entre paneles:
Junta trapezoidal: No necesita retirarse antes del fraguado del hormigón. Se extrae con un cabestrante o gatos.
Junta circular y tricilíndrica (Stein): Deben extraerse durante el fraguado del hormigón, en el momento justo en que este ha endurecido lo suficiente para mantenerse, pero no tanto que impida la extracción. Se retiran con gatos hidráulicos.
El cumplimiento de las tolerancias establecidas en normativas como la UNE o el PG-3 es fundamental en cada una de estas etapas para garantizar la calidad y funcionalidad del muro pantalla.
6. ¿Qué son los anclajes en cimentaciones, cómo se clasifican y cuáles son sus principales aplicaciones?
Los anclajes son elementos de sujeción de estructuras al suelo, diseñados para colaborar en la estabilidad del conjunto suelo-estructura y que trabajan fundamentalmente a tracción.
Clasificación de los anclajes:
Según su forma de actuar:
Pasivos: Entran en tracción automáticamente cuando las cargas o fuerzas externas actúan, oponiéndose al movimiento del terreno y la estructura.
Activos (pretensados): Se pretensan hasta una carga admisible una vez instalados, comprimiendo el terreno entre el anclaje y la estructura. Esto evita el movimiento de la cabeza del anclaje hasta que se supere el esfuerzo de pretensado.
Mixtos: Se pretensan con una carga inferior a la admisible, dejando un margen para absorber movimientos imprevistos.
Según el tiempo de servicio previsto:
Provisionales: Diseñados para un uso temporal durante la fase de construcción.
Permanentes: Diseñados para permanecer en servicio durante toda la vida útil de la estructura.
Inyección repetitiva (IR): Inyecciones a lo largo del bulbo en varias etapas.
Inyección repetitiva y selectiva (IRS): Inyecciones repetitivas en puntos específicos del bulbo.
Principales campos de aplicación:
Estabilización del terreno: Comprimir el terreno y coser diaclasas (fracturas).
Aumentar la resistencia al corte en taludes: Mejorar la estabilidad de laderas.
Sujeción de bóvedas de túneles y paredes de excavación: Proporcionar soporte en obras subterráneas o de contención.
Refuerzo de estructuras: Postesado de elementos estructurales, atirantado de bóvedas y arcos.
Arriostramiento de estructuras de contención: Estabilizar muros pantalla, tablestacados, etc.
Absorber esfuerzos en la cimentación de estructuras: Contrarrestar la subpresión en soleras bajo el nivel freático.
Anclaje de estructuras esbeltas y complejas: Proporcionar estabilidad a elementos con alta esbeltez.
Los anclajes inyectados constan de tres partes: la zona de anclaje (bulbo inyectado al terreno), la zona libre (cables protegidos por una vaina) y la cabeza y la placa de apoyo, que fijan el anclaje a la estructura.
Figura 3. Anclaje de un muro. Vía http://chuscmc.blogspot.com
7. ¿Cuáles son los principales estados límite que hay que considerar en el dimensionamiento de elementos de contención, como los muros pantalla, según la normativa española (CTE)?
Según esta normativa, el dimensionamiento de los elementos de contención debe verificar una serie de estados límite para garantizar la seguridad y funcionalidad de la estructura. Estos se dividen en estados límite últimos y estados límite de servicio.
Estados Límite Últimos (ELU): Se refieren a la capacidad portante y la estabilidad global, evitando la rotura o colapso.
Estabilidad:
Deslizamiento: La estructura se desliza sobre su base o una superficie de falla.
Hundimiento: El terreno bajo la cimentación de la estructura falla.
Vuelco: La estructura gira alrededor de su base.
Capacidad estructural: Fallo del material constitutivo de la pantalla (hormigón, acero).
Fallo combinado del terreno y del elemento estructural: Una combinación de los anteriores.
Para pantallas flexibles, se deben verificar además:
Estabilidad global: Del conjunto suelo-pantalla-anclajes-sobrecargas.
Estabilidad del fondo de la excavación: Evitar levantamiento o sifonamiento.
Estabilidad de la propia pantalla: Rotura por rotación o traslación, o por hundimiento.
Estabilidad de los elementos de sujeción: (Anclajes, puntales).
Estabilidad en las edificaciones próximas: No causar daños a estructuras adyacentes.
Estabilidad de las zanjas: Durante la excavación de la propia pantalla.
Estados Límite de Servicio (ELS): Se refieren a las condiciones de uso de la estructura, evitando movimientos o infiltraciones excesivas.
Movimientos o deformaciones: Excesivos de la estructura de contención o de sus elementos de sujeción, que afecten a la propia pantalla o a estructuras próximas.
Infiltración de agua no admisible: Problemas de estanqueidad.
Afección a la situación del agua freática en el entorno: Con posibles repercusiones a estructuras próximas.
En el cálculo se deben considerar acciones como los empujes activos y pasivos de las tierras, los empujes horizontales del agua freática, las sobrecargas y las acciones instantáneas o alternantes (terremotos, impactos). También se tienen en cuenta las propiedades del suelo, los coeficientes de empuje (de Rankine y de Coulomb) y la deformabilidad de la pantalla, que influye significativamente en la distribución de los empujes.
8. ¿Qué es el sifonamiento en excavaciones y cómo se puede prevenir?
El sifonamiento es un fenómeno de inestabilidad del terreno que se produce en excavaciones, especialmente cuando el nivel freático (NF) se halla por encima del fondo de la excavación y es preciso agotar el agua del interior. Se produce una filtración de agua a través del fondo o de las paredes de la excavación. Si la presión intersticial del agua (es decir, la presión en los poros del suelo) crece hasta igualar la presión total del terreno, la tensión efectiva del suelo se anula (σ’ = σ – u = 0), lo que provoca una pérdida de resistencia y un flujo ascendente de partículas finas del suelo. Este fenómeno se alcanza para un «gradiente crítico».
Figura 4. Longitud de empotramiento para evitar el sifonamiento
Los principales problemas que causa el sifonamiento son:
Inestabilidad del fondo de excavación: Pérdida de capacidad portante del suelo.
Reducción de la presión efectiva en el intradós de la pantalla: Disminuye el efecto positivo del empuje pasivo, comprometiendo gravemente la estabilidad del muro pantalla.
Tubificación o entubamiento: Si se dan sifonamientos localizados, se inicia una erosión interna que forma conductos por donde el agua arrastra material, pudiendo causar un colapso brusco.
Soluciones principales para prevenir el sifonamiento:
Dimensionar un correcto sistema de bombeo: Para liberar las presiones intersticiales, ya sea durante la excavación (agotamiento) o de forma permanente mediante soleras drenadas. Los sistemas pueden ser bombeo desde arquetas (para excavaciones pequeñas sin finos), pozos filtrantes o lanzas de drenaje (well point).
Incrementar la clava de la pantalla: Aumentar la profundidad de empotramiento del muro pantalla (∆l) incrementa el recorrido del agua, reduciendo el gradiente hidráulico. La clava real puede ser un 20% mayor que la profundidad del punto de rotación.
«Clavar» las pantallas en un sustrato impermeable: Si es posible, extender la pantalla hasta una capa de suelo con muy baja permeabilidad (k) para cortar el flujo de agua.
Disminuir la permeabilidad de la capa filtrante y aumentar su peso específico aparente (γ’): Esto se puede lograr mediante un tapón de Jet-grouting, que también puede actuar como un codal natural.
Aumentar el efecto ataguía de la clava de las pantallas: Mediante un «peine» de inyecciones que reduce la permeabilidad del suelo bajo el muro.
Congelación del nivel freático: En casos extremos, se puede congelar el agua del terreno para crear una barrera impermeable.
A continuación os dejo un audio que resume bien el contenido de estos temas. Espero que os sea de interés.
Glosario de términos clave
Muro pantalla: Técnica de cimentación profunda y contención flexible que se desarrolla a principios de los años 50, aúna ambas funciones, especialmente en excavaciones difíciles o cerca de edificios.
Contención flexible: Cualidad de los muros pantalla que permite cambios de forma y movimientos de flexión, influenciando la distribución de empujes y la interacción suelo-estructura.
Empotramiento: Profundidad a la que se introduce la pantalla en el terreno por debajo del nivel de excavación para asegurar su fijación y estabilidad.
Empujes activos: Presiones horizontales mínimas que ejerce el terreno sobre una estructura de contención cuando este se deforma alejándose de la estructura (descompresión horizontal).
Empujes pasivos: Presiones horizontales máximas que ejerce el terreno sobre una estructura de contención cuando este se deforma empujando hacia el terreno (compresión horizontal).
Empuje al reposo: Presión horizontal que ejerce el terreno cuando no hay deformación lateral de la estructura de contención.
Muretes-guía: Estructuras temporales previas a la excavación de bataches, que dirigen la herramienta de excavación, aseguran la verticalidad de los paneles y sirven de soporte.
Batache: Segmento o panel individual que conforma el muro pantalla continuo, excavado y posteriormente hormigonado.
Cuchara al cable/hidráulica: Herramientas de excavación utilizadas para la formación de los bataches en medios convencionales.
Hidrofresa: Máquina de excavación especializada para bataches, usada en terrenos muy duros, cuando se requiere verticalidad estricta o a grandes profundidades.
Lodos tixotrópicos (bentoníticos): Suspensiones de arcilla (bentonita) en agua, utilizadas para sostener las paredes de la excavación mediante la formación de un «cake» y presión hidrostática, además de lubricar la herramienta. Son fluidos no newtonianos.
Lodos poliméricos: Soluciones de polímeros en agua que sustituyen o complementan a los lodos bentoníticos, formando un «cake» interno y uniendo partículas del terreno por tracción iónica. Son biodegradables.
Cake: Película impermeable que se forma en las paredes de la excavación de un muro pantalla debido a la filtración del lodo bentonítico, esencial para el sostenimiento por presión hidrostática.
Yield point (esfuerzo umbral): Esfuerzo mínimo necesario para que un fluido tixotrópico comience a fluir; por debajo de él, el lodo se comporta como un sólido.
Floculación: Proceso por el cual las partículas de lodo se agrupan, perdiendo su estabilidad y funcionalidad, generalmente por contaminación.
Tubería tremie: Tubería utilizada para el hormigonado sumergido de los muros pantalla, asegurando que el hormigón se deposite por debajo de la superficie del lodo sin contaminarse.
Junta (en pantallas): Dispositivo o técnica utilizada para asegurar la continuidad y estanqueidad entre bataches adyacentes (circular, trapezoidal, tricilíndrica o Stein).
Desarenado: Proceso de separación de arena de los lodos bentoníticos, realizado con hidrociclones, necesario para evitar la decantación de arena en el hormigón.
Pantalla en voladizo: Muro pantalla que se introduce en el terreno a una profundidad suficiente para que se fije como un elemento estructural en voladizo, aprovechando la resistencia pasiva.
Pantalla anclada: Muro pantalla cuya estabilidad se confía a la resistencia pasiva de la parte enterrada y al apoyo de uno o varios niveles de anclajes, usado en excavaciones profundas.
Pantalla de soporte libre (articulada): Pantalla anclada con una profundidad de empotramiento pequeña, que permite movimientos significativos en su base y se comporta como una viga doblemente apoyada.
Pantalla de soporte fijo (empotrada): Pantalla anclada con una longitud de empotramiento suficiente para que el movimiento en su base sea insignificante, comportándose como una viga apoyada-empotrada.
Efecto arco: Fenómeno que ocurre en pantallas flexibles, donde las cargas se concentran en las zonas más rígidas (como anclajes o fondo de excavación) y hay una descarga en las zonas de mayor movimiento.
Sifonamiento: Fenómeno en excavaciones con nivel freático alto, donde la presión intersticial en el fondo iguala la presión total, anulando la tensión efectiva del terreno y causando inestabilidad.
Gradiente crítico: Valor del gradiente hidráulico a partir del cual se produce el sifonamiento del terreno.
Tubificación (entubamiento): Erosión interna del terreno causada por sifonamientos localizados, formando conductos en el suelo.
Pozos filtrantes: Sistema de drenaje que utiliza bombas lapicero dentro de pozos para abatir el nivel freático.
Sistema de agujas filtrantes (well-point): Drenaje basado en la hinca de minipozos alrededor de una excavación, utilizando bombas de vacío para aspirar aire y agua, adecuado para terrenos arenosos.
Anclaje: Elemento de sujeción que transmite cargas de una estructura al terreno, generalmente trabajando a tracción.
Bulbo de inyección (zona de anclaje): Parte del anclaje inyectado que se fija al terreno, donde se desarrolla la transferencia de carga.
Zona libre: Parte del anclaje (cables o torones) que se encuentra protegida y no está en contacto directo con el terreno, permitiendo el pretensado sin fricción.
Cabeza y placa de apoyo: Elementos del anclaje que lo fijan a la estructura y mediante cuñas inmovilizan los torones.
Método de Kranz: Método de cálculo para anclajes que evalúa la estabilidad global frente al deslizamiento de la cuña de terreno soportada por los anclajes.
Entibación: Conjunto de elementos (tablestacas, puntales, codales) que se utilizan para contener las paredes de una excavación, evitando su colapso.
Método berlinés: Tipo de entibación donde se hincan perfiles metálicos aislados antes de excavar, y luego se va entibando progresivamente con elementos de contención y puntales.
Levantamiento de fondo: Problema de inestabilidad característico de excavaciones entibadas en suelos arcillosos blandos, donde el fondo de la excavación asciende debido a la presión del terreno.
Referencias:
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INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales, n.º 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and applications. Third Edition, John Wiley & Sons.
PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
Figura 1. Cuchara para excavar pantalla. https://www.geo-solutions.com/resource-category/slurry-walls-equipment/
1. ¿Qué son las pantallas impermeables de bentonita-cemento y cuándo se utilizan?
Las pantallas impermeables de bentonita-cemento, también denominadas pantallas blandas, plásticas o de lodo autoendurecible, son barreras que impiden el paso del agua subterránea. Su construcción es similar a la de los muros pantalla, pero su función principal es impermeabilizante, sin responsabilidad estructural significativa. Su uso se inició en la década de 1960. Son ideales cuando el objetivo es detener el flujo de agua y no se prevé una excavación o un vaciado anexos. Entre sus ventajas destacan su impermeabilidad, la ausencia de juntas, su capacidad de adaptación a grandes deformaciones por cambios en el nivel freático y su bajo coste, debido al bajo consumo de materiales y a la simplificación de la construcción.
2. ¿Cómo se construye una pantalla de bentonita-cemento y qué materiales se utilizan?
La construcción de una pantalla de este tipo implica la excavación de una zanja con herramientas como cucharas bivalvas, retroexcavadoras con brazos largos (eficaces hasta 15 o 20 metros, o hasta 25 o 30 metros con brazos especiales) o zanjadoras de brazo inclinable. La mezcla utilizada consiste en bentonita, cemento, agua y, opcionalmente, aditivos. Las dosificaciones típicas por metro cúbico de mezcla varían: entre 100 y 950 litros de agua, entre 20 y 80 kg de bentonita, entre 100 y 400 kg de cemento y hasta 5 kg de aditivos. La bentonita se añade para evitar la decantación del cemento antes del fraguado. La mezcla se elabora en una planta y se envía a la obra. Es crucial asegurar la continuidad entre paneles para evitar juntas, lo que se logra mediante la perforación inmediata de paneles contiguos o mordiendo el extremo de un panel aún pastoso para la adhesión del nuevo lodo.
3. ¿Qué son las pantallas de suelo-bentonita y en qué se diferencian de las pantallas de bentonita-cemento?
Las pantallas de suelo-bentonita son barreras que se utilizan para detener el paso del agua o aislar residuos o zonas contaminadas de agua subterránea. A diferencia de las pantallas de bentonita-cemento, que son más comunes en Europa, las pantallas de suelo-bentonita se originaron en Estados Unidos en 1945 y son más habituales en este país. La principal diferencia radica en el material de relleno: mientras que las pantallas de bentonita-cemento utilizan una mezcla específica de estos componentes, las pantallas de suelo-bentonita emplean una mezcla de suelo excavado y bentonita. Esto último hace que sean la tipología de barrera más económica, ya que permite utilizar gran parte del material de la propia zanja. Sin embargo, las pantallas de suelo-bentonita pueden ser más susceptibles al deterioro por ciclos de humedad/sequedad o congelación/descongelación, y su permeabilidad puede verse afectada por contaminantes.
Figura 2. Construcción de zanja de lodo con suelo-bentonita como material de relleno. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
4. ¿Cómo se realiza la excavación y el relleno de las pantallas de suelo-bentonita?
Durante la excavación de las zanjas para las pantallas de suelo-bentonita, se utiliza bentonita (a veces con aditivos) para estabilizar las paredes y mantener un nivel constante de lechada cerca de la parte superior. Las zanjas suelen tener una anchura de entre 0,6 y 1,5 metros. Una vez alcanzada la profundidad deseada, se introduce la mezcla final de suelo y bentonita. Esta mezcla debe tener un peso específico mayor que el del lodo de la zanja para desplazarlo eficazmente. La preparación de la mezcla puede realizarse en tanques de homogeneización para garantizar una mayor calidad o de forma más rudimentaria en superficie con un buldócer. Es fundamental garantizar que la pantalla se extienda de manera continua por todo el estrato permeable y succionar los sedimentos del fondo de la zanja, sobre todo si se trata de arenas y gravas limpias. La colocación del relleno y la excavación deben realizarse de forma simultánea.
5. ¿Qué es la técnica de pantalla de suelo-cemento con hidrofresa (cutter soil mixing)?
La pantalla de suelo-cemento con hidrofresa, también conocida como cutter soil mixing, es una técnica de mejora de suelos que se utiliza para crear pantallas impermeabilizantes verticales. Consiste en excavar el terreno en paneles verticales con una hidrofresa, que es un cabezal cortador provisto de elementos giratorios con dientes. La hidrofresa no solo excava, sino que también inyecta una mezcla de bentonita y cemento en la parte central de las ruedas cortantes. El movimiento giratorio de los dientes y unas paletas mezclan esta inyección con los detritos del terreno, formando un nuevo material que, tras el fraguado del cemento, crea una pantalla impermeable. Una ventaja clave de este método es que utiliza el propio material del terreno, por lo que se generan muy pocos residuos.
Figura 3. Hidrofresa. http://www.malcolmdrilling.com/cutter_soil_mixing/
6. ¿Cómo funciona el proceso de construcción con hidrofresa para pantallas de suelo-cemento?
El procedimiento constructivo con hidrofresa consta de varias fases. En primer lugar, se prepara una zanja guía para recoger el exceso de lodo. A continuación, se posiciona la hidrofresa en el eje de la pared y se introduce en el suelo a una velocidad continua (normalmente entre 20 y 60 cm/min). Las ruedas de corte rompen el suelo y, simultáneamente, se bombea un fluido (bentonita-cemento) a las boquillas para mezclarlo con la tierra suelta. Una corriente de aire comprimido puede mejorar la mezcla. Al alcanzar la profundidad de diseño, se extrae lentamente la hidrofresa mientras se sigue añadiendo la lechada de cemento para garantizar la homogeneización mediante la rotación de las ruedas. Finalmente, se puede introducir armadura, como perfiles de acero, en la pantalla terminada para mejorar su resistencia. Para ello, se utilizan vibradores, si es necesario, para profundidades mayores. En el caso de muros continuos, se excavan paneles primarios y secundarios que se solapan para garantizar la estanqueidad.
7. ¿Qué son las pantallas de lodo autoendurecible armado y cuál es su función?
Las pantallas de lodo autoendurecible armado, también denominadas pantallas de lechada armada o «reinforced slurry wall», son pantallas compuestas con carácter estructural. Combinan elementos portantes resistentes a la flexión, como tablestacas o perfiles metálicos en «I», con un relleno intermedio de bentonita-cemento que los une y transfiere las cargas a los elementos estructurales. Este sistema funciona como elemento de contención de agua y, al mismo tiempo, como soporte estructural. Una variante es la pared de mezcla suelo-cemento reforzada, que utiliza una mezcla de suelo y cemento en lugar de lechada. Esta técnica se sitúa a medio camino entre un muro berlinés y un muro pantalla, ya que ofrece contención de agua y resistencia estructural.
8. ¿Cómo se construye una pantalla de lodo autoendurecible armada?
El procedimiento constructivo de una pantalla de lodo autoendurecible armada utiliza herramientas de excavación similares a las empleadas en los muros pantalla, como la cuchara bivalva. Durante la excavación, la lechada de bentonita y cemento no solo sirve como material de relleno intermedio, sino que también estabiliza las paredes de la zanja. Una vez colocada la lechada, se insertan perfiles verticales (tablestacas o perfiles en «I») en ella. El lodo endurecido transmite el empuje activo de las tierras y el agua hacia estos perfiles por efecto bóveda, y estos resisten la flexión gracias a anclajes, arriostramientos y el empotramiento bajo el fondo de la excavación. Si se emplean tablestacas, la pantalla opera como un muro continuo convencional, combinando las propiedades impermeabilizantes del lodo con la resistencia estructural de los elementos armados.
Os dejo un audio sobre este tema que, espero, os sea interesante.
Glosario de términos clave
Pantallas plásticas (blandas/lodo autoendurecible): Barreras impermeables construidas con mezclas fluidas que fraguan o se autoendurecen, utilizadas para contener el agua subterránea.
Bentonita-cemento: Mezcla de bentonita, cemento, agua y aditivos que fragua lentamente y forma una barrera impermeable.
Función impermeabilizante: La capacidad de una pantalla para impedir o reducir significativamente el paso del agua.
Responsabilidad estructural: La capacidad de un elemento para soportar cargas y esfuerzos (como flexión) sin deformaciones excesivas o fallos. Las pantallas blandas tienen poca responsabilidad estructural.
Decantación: El proceso por el cual las partículas sólidas de una suspensión se asientan en el fondo de un líquido debido a la gravedad. La bentonita ayuda a evitar la decantación del cemento.
Fraguado: El proceso de endurecimiento de una mezcla cementicia debido a reacciones químicas.
Cuchara bivalva: Herramienta de excavación con dos «cucharas» articuladas que se cierran para recoger el material, utilizada en la ejecución de pantallas.
Retroexcavadora con brazos largos: Maquinaria de excavación modificada con brazos extendidos para alcanzar mayores profundidades en la construcción de zanjas y pantallas.
Zanjadora de brazo inclinable: Maquinaria especializada para excavar zanjas, con un brazo que puede inclinarse.
Rendimiento: La cantidad de trabajo realizado en un período determinado (ej., m²/día de pantalla construida).
Nivel freático: La superficie superior del agua subterránea, donde la presión del agua es igual a la presión atmosférica.
Tablestacas: Elementos prefabricados, generalmente metálicos o de hormigón, que se hincan o se colocan en el terreno para formar muros de contención.
Suelo-bentonita: Mezcla de suelo excavado y lechada de bentonita que se utiliza como material de relleno para formar pantallas impermeables.
Gradiente hidráulico: La tasa de cambio de la carga hidráulica por unidad de distancia en la dirección del flujo.
Peso específico: El peso por unidad de volumen de una sustancia. Es crucial que el relleno de suelo-bentonita tenga un peso específico mayor que el lodo de la zanja.
Tanques de homogeneización: Recipientes donde se mezcla y agita el suelo y la bentonita para lograr una consistencia uniforme antes de su colocación.
Segregación: La separación de los componentes de una mezcla debido a diferencias en tamaño, forma o densidad.
Permeabilidad: La capacidad de un material para permitir el paso de fluidos a través de él. Una baja permeabilidad es deseable en pantallas impermeables.
Hidrofresa (cutter soil mixing – CSM): Maquinaria equipada con cabezas cortadoras giratorias y un inyector, utilizada para excavar y mezclar el terreno in-situ con una lechada (bentonita-cemento) para formar pantallas.
Detritos: Fragmentos de roca y suelo resultantes de la excavación o trituración del terreno.
Zanja guía: Pequeña excavación superficial que se realiza al inicio para alinear la maquinaria y recoger el excedente de lodo.
Paneles primarios y secundarios: En la construcción de muros continuos, los paneles primarios se excavan primero, y luego los secundarios se excavan solapándose con los primarios para asegurar la continuidad.
Armadura: Elementos de refuerzo (como perfiles de acero) que se insertan en la pantalla para proporcionarle resistencia estructural adicional.
Pantalla de lodo autoendurecible armado (reinforced slurry wall): Una pantalla compuesta que incorpora elementos portantes estructurales (como perfiles en «I» o tablestacas) dentro de un relleno de lodo autoendurecible (bentonita-cemento o suelo-cemento).
Efecto bóveda: Fenómeno por el cual los empujes del terreno se distribuyen y descargan hacia elementos de mayor rigidez o resistencia, como los perfiles en una pantalla armada.
Empotramiento: La condición en la que un elemento estructural está fijado rígidamente en otro (ej., un perfil anclado en el fondo de excavación) impidiendo su rotación y traslación.
Muro berlinés: Sistema de contención que consiste en perfiles metálicos hincados en el terreno, entre los cuales se colocan elementos de contención (tablones de madera, prelosas de hormigón, etc.) a medida que se excava.
Muro pantalla: Muro de contención de hormigón o similar, ejecutado en el terreno por paneles, utilizando lodo bentonítico para estabilizar la excavación antes del vertido del hormigón.
Referencias:
CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales, n.º 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and applications. Third Edition, John Wiley & Sons.
PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
