Categoría: geotecnia

Guía para principiantes sobre la compactación de suelos.

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.

3.1.1. Apisonadoras de rodillos lisos

  • 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)

3.1.3. Compactadores de ruedas neumáticas

  • 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/

3.2. Compactadores vibratorios: reduciendo la fricción interna

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.

3.3.1. Placas y pisones vibrantes

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.

3.3.2. Compactadores por impactos de gran energía

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:
    1. Suelos finos: limos y arcillas.
    2. Suelos de grano grueso: arenas y gravas.
    3. 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.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de compactación superficial y profunda de suelos en obras de ingeniería civil y edificación.

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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¿Tus cimientos se diseñan con métodos desfasados? 5 revelaciones para proyectar de forma más segura y sostenible

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?

Referencia:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; MORENO-SERRANO, J.F.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2026). Innovative safety framework and direct load–settlement method to optimize vertical subgrade modulus in sustainable mat foundations. Environmental Impact Assessment Review, 118, 108191. DOI:10.1016/j.eiar.2025.108191

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Preguntas frecuentes sobre entibaciones

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.
  • MINISTERIO DE LA VIVIENDA (2006). Código Técnico de la Edificación
  • TERZAGHI, K.; PECK, R. (1967). Soil Mechanics in Engineering Practice. 2nd Edition, John Wiley, New York.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3
  • YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

Cursos:

Curso de estructuras auxiliares en la construcción: andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras.

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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Algunas preguntas sobre los muros pantalla

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.
  • Según el tipo de inyección:
    • Inyección única (IU): Inyección global del bulbo.
    • 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:

  • 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.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
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  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Preguntas frecuentes sobre pantallas de contención de agua subterránea

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.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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La interacción suelo–estructura como factor decisivo en el diseño optimizado y robusto frente al colapso progresivo de edificios de hormigón armado

Acaban de publicarnos un artículo en Innovative Infrastructure Solutions, revista indexada en el JCR. El artículo presenta un marco de optimización estructural para edificios con pórticos de hormigón armado que integra la resistencia frente al colapso progresivo y la interacción suelo-estructura con el objetivo de conseguir diseños seguros, sostenibles y realistas. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. A continuación se recoge un resumen sintético del trabajo.

En los últimos años, la optimización matemática se ha convertido en una herramienta muy valiosa para la ingeniería. Lejos de ser un mero ejercicio teórico, se ha comprobado que permite diseñar estructuras más eficientes, con menos consumo de materiales, costes e impacto medioambiental. Sin embargo, hasta ahora, un aspecto importante había quedado fuera de estos procesos de optimización: la seguridad frente al colapso progresivo, un fenómeno en el que el fallo localizado de un elemento estructural provoca una reacción en cadena que puede ocasionar el derrumbe total del edificio.

Este tipo de situaciones no son meramente hipotéticas: explosiones accidentales, impactos de vehículos, errores de ejecución e incluso actos intencionados han provocado a lo largo de la historia fallos de este tipo, con consecuencias devastadoras en términos humanos y económicos. Por este motivo, organismos como la General Services Administration (GSA) y el Departamento de Defensa (DoD) de EE. UU. han desarrollado directrices específicas para incorporar criterios de robustez frente al colapso progresivo en el diseño estructural.

La principal aportación de este trabajo es la propuesta de un marco computacional integrado denominado Optimization-based Robust Design to Progressive Collapse (ObRDPC), que combina tres elementos fundamentales:

  1. Optimización estructural mediante algoritmos heurísticos.

  2. Diseño robusto frente a colapso progresivo, aplicado desde el inicio del proceso de cálculo con el método del Alternate Path.

  3. Consideración de la interacción suelo–estructura (SSI), aspecto habitualmente ignorado, pero que modifica de forma notable la respuesta real de un edificio.

La metodología desarrollada no se limita a verificar a posteriori si una estructura cumple los requisitos de robustez, sino que integra estas exigencias como restricciones en el propio proceso de optimización. Así, el algoritmo no solo busca minimizar un objetivo (en este caso, las emisiones de CO₂ asociadas a la construcción), sino que también garantiza la seguridad frente a escenarios de fallo.

Para validar la propuesta, se estudiaron cinco casos de edificios de pórticos de hormigón armado tridimensionales con distintas combinaciones de número de plantas (de cuatro a seis) y longitudes de vano (cuatro, seis y ocho metros). A cada edificio se le aplicaron dos escenarios de daño: la eliminación de una columna de esquina y la eliminación de una columna exterior. Estos escenarios, definidos en la guía GSA, simulan situaciones críticas y permiten evaluar la capacidad de la estructura para redistribuir las cargas y evitar un colapso en cadena.

El marco ObRDPC integra un proceso automatizado en el que el modelado estructural se realiza con SAP2000, enlazado con rutinas programadas en MATLAB. Además, se tiene en cuenta el diseño constructivo de cimentaciones mediante zapatas aisladas, que se modelan como losas apoyadas sobre un suelo con comportamiento elástico. En este punto, la SSI es fundamental, ya que los asientos diferenciales de la cimentación generan esfuerzos adicionales en pilares y vigas, lo que modifica la redistribución de cargas en caso de fallo. El estudio muestra que ignorar este efecto puede dar lugar a errores de hasta el 24 % en el dimensionamiento de la superestructura tras la pérdida de un pilar, lo que se traduce en diseños potencialmente inseguros o, por el contrario, sobredimensionados y poco sostenibles.

Los resultados más destacados se pueden resumir así:

  • Influencia de la altura del edificio: a medida que aumenta el número de plantas, la estructura gana en robustez. Esto se debe a la redundancia estructural y a la existencia de múltiples caminos alternativos para la redistribución de cargas (efecto de pórtico global, mecanismos tipo Vierendeel, etc.). En consecuencia, los edificios de mayor altura presentan una menor diferencia entre un diseño convencional y otro robusto frente al colapso progresivo.

  • Influencia de la luz de vano: a diferencia de lo que ocurre con la altura, un mayor aumento de la luz compromete la robustez. En vanos de 8 metros, el impacto ambiental de un diseño robusto frente al colapso progresivo aumenta en más de un 50 %. La razón es doble: por un lado, las vigas deben absorber momentos flectores mucho mayores cuando desaparece un apoyo y, por otro, disminuye la redundancia estructural al haber menos pilares por unidad de superficie.

  • Estrategias de redistribución de cargas: los mecanismos estructurales varían según el elemento. En las vigas, la optimización conduce a secciones más profundas y a un incremento del refuerzo superior de hasta el 35 % en zonas críticas. En los pilares, tienden a utilizarse secciones más robustas y hormigones de mayor resistencia (hasta 40 MPa) para controlar las solicitaciones combinadas de axiles y flectores. Las cimentaciones, por su parte, tienden a tener geometrías más cuadradas, lo que mejora su respuesta frente a asientos diferenciales.

  • Impacto ambiental y sostenibilidad: en edificios con vanos moderados (4 m), el sobrecoste ambiental de diseñar frente a un colapso progresivo es inferior al 8 %, una cifra razonable para garantizar una mayor seguridad. Sin embargo, en estructuras con vanos grandes, el impacto es muy significativo, por lo que es necesario reflexionar sobre las limitaciones geométricas de ciertos proyectos si se pretende compatibilizar sostenibilidad y robustez.

El valor práctico de esta investigación es indudable. Frente a los métodos tradicionales basados en el ensayo y el error y en hipótesis de apoyo rígido, la propuesta permite automatizar el proceso de diseño e integrar la seguridad y la sostenibilidad desde el principio. Para los ingenieros y proyectistas, esto supone una herramienta que evita tanto el riesgo de subdiseño (estructuras inseguras) como el de sobrediseño (estructuras innecesariamente pesadas y contaminantes).

En definitiva, este trabajo supone un avance hacia una ingeniería estructural más integral, ya que no solo se trata de optimizar costes o reducir emisiones, sino también de garantizar la resiliencia de nuestras construcciones frente a eventos extremos. La integración de la interacción suelo-estructura añade, además, un realismo que acerca la investigación a la práctica profesional. En el futuro, esta metodología podría extenderse a otros sistemas estructurales, como marcos metálicos, estructuras mixtas o rascacielos, lo que supondría un horizonte prometedor para la construcción de infraestructuras seguras, sostenibles y duraderas.

Referencia:

NEGRÍN, I.; CHAGOYÉN, E.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). An integrated framework for Optimization-based Robust Design to Progressive Collapse of RC skeleton buildings incorporating Soil-Structure Interaction effects. Innovative Infrastructure Solutions, 10:446. DOI:10.1007/s41062-025-02243-z

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Preguntas frecuentes sobre el agua en medio poroso y sus problemas en excavaciones.

1. ¿Qué es un acuífero y cómo se clasifica?

Un acuífero es una formación geológica subterránea que contiene y transmite agua. Se clasifican principalmente en:

  • Acuífero libre: El agua está en contacto con la atmósfera a través de los poros o las fisuras de la zona no saturada. El límite superior es el nivel freático, donde la presión del agua es atmosférica.
  • Acuífero confinado: El acuífero está cubierto por una capa impermeable (acuicludo o acuitardo) y el agua se encuentra a una presión superior a la atmosférica. Si se perfora un pozo en un acuífero confinado y el agua sube por encima de la superficie del terreno, se dice que existen existen «condiciones artesianas».
Figura 1. Esquema de acuífero. https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Aquifer_es.svg

Además, existen otras formaciones relevantes:

  • Acuicludo: Una formación geológica que, aunque contiene agua, no la transmite de manera efectiva, por lo que no es apta para su explotación (por ejemplo, terrenos arcillosos).
  • Acuitardo: Transmite el agua muy lentamente, por lo que no es apto para su captación, pero puede permitir la recarga vertical de otros acuíferos en condiciones especiales (por ejemplo, arcillas limosas o arenosas).

2. ¿Qué es la carga hidráulica total y por qué es importante la Ley de Darcy en el estudio del flujo de agua en medios porosos?

La carga hidráulica total (H), también conocida como potencial, representa la energía por unidad de peso de un fluido en movimiento, expresada como una altura. Incluye la altura geométrica (z), la altura de presión (u/γw) y la altura de velocidad (v²/2g). En el contexto del flujo en medios porosos, la velocidad suele ser despreciable, por lo que la carga total se simplifica a la altura piezométrica.

La Ley de Darcy es fundamental porque describe la velocidad del flujo de agua en un medio poroso. Establece que la velocidad (v) es directamente proporcional al gradiente hidráulico (i) y al coeficiente de permeabilidad (k), es decir, v = k · i. El coeficiente de permeabilidad mide la facilidad con la que el agua circula a través del suelo y depende tanto de las características del acuífero (porosidad, tamaño de los poros interconectados) como del fluido (viscosidad, peso específico). Esta ley es crucial para comprender cómo se mueve el agua a través del suelo y para calcular caudales en diversas aplicaciones geotécnicas.

Figura 2. Esquema de la ley de Darcy

3. ¿Qué son las tensiones efectivas y por qué son tan importantes en geotecnia según el postulado de Terzaghi?

Las tensiones efectivas (σ‘) son un concepto fundamental en geotecnia, postulado por Karl von Terzaghi en 1923. Se definen como el exceso de tensión sobre la presión intersticial (o presión neutra) del agua (u) presente en el suelo. Es decir, son las tensiones que actúan exclusivamente sobre la fase sólida del suelo, transmitiéndose grano a grano.

Su importancia radica en el postulado de Terzaghi, que establece lo siguiente: «Cualquier efecto medible debido a un cambio de tensiones, como la compresión, la distorsión o la modificación de la resistencia al corte de un suelo, se debe exclusivamente a cambios en las tensiones efectivas». Esto significa que la deformación y la resistencia del suelo dependen directamente de las tensiones efectivas y no de las tensiones totales. Por ejemplo, si el volumen o la distorsión de un suelo saturado no cambian, es porque sus tensiones efectivas no han cambiado. Si se permite el drenaje del agua (es decir, si se disipa la presión intersticial), las tensiones efectivas aumentan, lo que provoca la deformación del suelo y la modificación de su resistencia al corte, un fenómeno conocido como consolidación.

4. ¿Cuáles son los principales problemas geotécnicos relacionados con el agua en las excavaciones?

El agua subterránea y superficial puede causar diversos problemas geotécnicos significativos en las excavaciones:

  • Subsidencia: Un descenso del nivel freático (por bombeo o excavación) aumenta las tensiones efectivas, provocando asentamientos en el terreno circundante. Un aumento del freático también puede causar asentamientos en suelos arcillosos o reducir la capacidad portante en arenas.
  • Deslizamiento de taludes: El flujo de agua en los taludes de una excavación incrementa su peso y reduce su resistencia al corte, llevando a la inestabilidad. Esto se agrava si la excavación corta dos estratos, donde el flujo entre capas puede causar erosión.
  • Erosión superficial: El afloramiento de agua en los taludes provoca cárcavas y arrastre de terreno, lo que compromete la estabilidad y debilita las bermas.
  • Erosión interna o tubificación (piping): El agua arrastra partículas finas a través de los huecos del suelo, formando túneles internos. Esto es propenso en suelos dispersables y puede ocurrir en presas o por flujos anómalos en pozos de drenaje o anclajes defectuosos.
  • Inestabilidad del fondo o sifonamiento: Ocurre cuando un flujo ascendente de agua en un terreno granular no consolidado anula la presión efectiva, por lo que el suelo se comporta como un fluido (arenas movedizas). Esto sucede cuando las fuerzas de filtración superan el peso sumergido del suelo.
  • Levantamiento del fondo o taponazo (uplift): El fondo de la excavación se vuelve inestable cuando el empuje del agua subterránea —típico en un acuífero confinado bajo un estrato de baja permeabilidad— supera el peso del terreno que lo soporta.

5. ¿Qué es el sifonamiento o «efecto Renard» y cuándo ocurre?

El sifonamiento, también conocido como licuefacción o «efecto Renard», se produce cuando existe un flujo ascendente de agua en el terreno y la presión del agua es tan alta que anula las tensiones efectivas del suelo. En suelos granulares sin cohesión, como la arena, el terreno pierde completamente su resistencia al corte y comienza a comportarse como un fluido en ebullición, similar a las arenas movedizas.

Este fenómeno sucede cuando se alcanza un «gradiente crítico», que es la relación entre el peso específico sumergido del suelo y el peso específico del agua. Si se sitúa un objeto con un peso específico superior al de la mezcla fluida de terreno y agua sobre un terreno con licuefacción, se hundirá. Supone un grave riesgo en las excavaciones, especialmente por debajo del nivel freático, ya que puede provocar el desprendimiento de cimentaciones y maquinaria.

6. ¿Cómo se relaciona el coeficiente de permeabilidad con la permeabilidad equivalente en estratos de suelo?

El coeficiente de permeabilidad (k) mide la facilidad con la que el agua fluye a través de un suelo concreto. Sin embargo, en la práctica, el suelo suele estar compuesto por múltiples estratos con diferentes permeabilidades y espesores. En estos casos, se calcula una permeabilidad equivalente, que puede ser horizontal o vertical:

  • Permeabilidad equivalente horizontal: Se aplica cuando el flujo de agua atraviesa horizontalmente un conjunto de estratos. El caudal total es la suma de los caudales en cada estrato.
  • Permeabilidad equivalente vertical: Se usa cuando el flujo de agua atraviesa verticalmente los estratos. En este caso, el caudal es constante a lo largo de los estratos, pero cada estrato tiene un gradiente hidráulico diferente.

Estos cálculos son esenciales para modelar con precisión el flujo de agua en suelos estratificados.

7. ¿Qué es una red de flujo y para qué se utiliza en geotecnia?

Una red de flujo es una representación gráfica del flujo de agua subterránea en un medio poroso. Está formada por dos familias de curvas ortogonales entre sí.

  • Líneas equipotenciales (Ψ): Son líneas que conectan puntos donde la altura piezométrica (carga hidráulica) es constante.
  • Líneas de corriente (Φ): Son las trayectorias que siguen las partículas de fluido a medida que se mueven a través del suelo.

La red de flujo se construye de manera que las fronteras impermeables actúan como líneas de corriente y las fronteras permeables (como una lámina de agua) son líneas equipotenciales. Al intersectarse, ambas familias de líneas deben formar «cuadrados curvilíneos».

Figura 3. Red de flujo, formada por líneas equipotenciales (Ψ) y  líneas de corriente (Φ)

Las principales aplicaciones de las redes de flujo en geotecnia son:

  • Calcular las presiones del agua subterránea: Permiten determinar las presiones en diferentes puntos o superficies.
  • Estimar los caudales del agua subterránea: Todos los canales de flujo (espacio entre dos líneas de corriente adyacentes) transportan el mismo caudal.
  • Calcular los gradientes hidráulicos: La pérdida de carga total se distribuye uniformemente entre las equipotenciales. Esto es crucial para evaluar la estabilidad de taludes y el riesgo de sifonamiento.

8. ¿Cómo se puede prevenir el sifonamiento en una excavación y qué factores influyen en las medidas de prevención?

Para prevenir el sifonamiento en una excavación, especialmente por debajo del nivel freático, una de las medidas principales es utilizar tablestacas o ataguías con una longitud de empotramiento suficiente. Esta longitud adicional por debajo del nivel de excavación aumenta el recorrido más corto que puede seguir el agua, lo que reduce el gradiente hidráulico y, en consecuencia, las fuerzas de filtración.

La profundidad de empotramiento necesaria depende de varios factores:

  • Profundidad de la excavación bajo el nivel freático: A mayor profundidad de excavación, mayor empotramiento se requiere.
  • Porosidad del suelo: Cuanto mayor es la porosidad del terreno (es decir, más vacíos hay en el suelo), mayor empotramiento es necesario para evitar el sifonamiento.
  • Peso específico de las partículas sólidas y del agua: Estos valores influyen en el peso específico sumergido del suelo y, por ende, en el gradiente crítico.
  • Coeficiente de seguridad (η): Se aplica un coeficiente de seguridad para garantizar que el empotramiento sea suficiente para resistir el sifonamiento. Por ejemplo, el Código Técnico de la Edificación (CTE) en España recomienda un coeficiente de seguridad de η = 2 para pantallas.
Figura 4. Sifonamiento en la base de una tablestaca o pantalla.

Es fundamental realizar cálculos geotécnicos y estructurales detallados para determinar el empotramiento necesario, que debe corresponder al mayor valor entre el requerido para evitar el sifonamiento y el necesario para soportar los esfuerzos de empuje. Además, la experiencia y el sentido común son fundamentales a la hora de implementar estas medidas.

REFERENCIAS:

  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • 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.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Preguntas frecuentes sobre cimentaciones superficiales

¿Qué son las cimentaciones superficiales y por qué son las más utilizadas en edificación?

Las cimentaciones superficiales son elementos estructurales que transmiten los esfuerzos (verticales, horizontales y momentos) de una estructura al terreno a través de su base de contacto. Son las más utilizadas en edificación debido a que son más baratas por carga soportada y más fáciles de ejecutar que otros tipos de cimentaciones. Es fundamental no exceder la capacidad portante del terreno y que las deformaciones producidas sean admisibles para la estructura.

Figura 1. Zapata aislada centrada. Imagen cortesía de CYPE, Biblioteca de detalles constructivos

¿Cómo influye la presencia de agua y las características del suelo en la construcción de cimentaciones superficiales?

La presencia de agua es un factor crítico en la construcción de cimentaciones. Un drenaje puede incrementar significativamente los costes y los plazos, e incluso hacer inviable una cimentación superficial. Sin embargo, el nivel freático no afectará a la capacidad portante del terreno si se encuentra a una profundidad superior a 1,5 veces el ancho de la zapata por debajo de la superficie del cimiento. En cuanto al suelo, ciertos tipos pueden alterar su estructura. Por ejemplo, en limos o arenas finas, un bombeo inadecuado puede causar sifonamiento o descenso de la superficie del terreno y afectar a las estructuras cercanas. En suelos arcillosos, el contacto con agua de lluvia o la compactación por pisadas puede ablandarlos, por lo que es necesario verter el hormigón de limpieza sin demora o excavar los últimos centímetros justo antes del hormigonado.

¿Cuáles son los tipos principales de zapatas aisladas y cómo se clasifican estructuralmente?

Las zapatas aisladas son cimentaciones puntuales diseñadas para soportar elementos individuales, como pilares o muros. Se emplean en terrenos firmes y competentes, transmiten tensiones medias a altas y generan pequeños asentamientos. Son la opción más económica en roca o suelos con tensiones admisibles superiores a 0,15 N/mm². Se clasifican según su forma:

  • Rectas: De canto constante.
  • Escalonadas: Con variaciones en el canto.
  • Piramidales: Con canto variable. A veces no necesitan encofrado si el ángulo es menor de 30°, pero dificultan el vibrado.
  • Nervadas o aligeradas: Con nervios para reducir material. El Código Estructural las clasifica como rígidas o flexibles, independientemente de la rigidez del terreno. Una zapata se considera rígida si su canto (h) en el encuentro con el pilar es mayor o igual a un coeficiente (α) multiplicado por su vuelo (v), donde α depende de los módulos de elasticidad del terreno y de la zapata. Las zapatas flexibles suelen ser más económicas por requerir menor volumen de hormigón y acero.
Figura 2. Tipología de zapatas atendiendo a su forma

¿Qué problemas pueden surgir con las zapatas de medianería y de esquina, y cómo se resuelven?

Las zapatas de medianería y de esquina se utilizan cuando los pilares se ubican cerca de los límites de la propiedad. El problema principal de estas zapatas es la excentricidad de la carga, que puede provocar un momento de vuelco y levantar la cimentación. Para contrarrestar este efecto, se pueden emplear varias soluciones:

  • Atar la cimentación al forjado o a la viga superior.
  • Utilizar un tirante que conecte la zapata con otro elemento estructural.
  • Implementar una viga centradora que una las zapatas de medianería o de esquina para redistribuir las cargas y presiones sobre el terreno de manera más uniforme.

¿Cuáles son las fases de ejecución de una zapata aislada?

La construcción de una zapata aislada sigue una serie de fases secuenciales:

  1. Limpieza y desbroce del solar.
  2. Comprobación de medidas y niveles.
  3. Replanteo del movimiento de tierras.
  4. Excavación hasta la cota superior del cimiento y luego la excavación de las zapatas y riostras.
  5. Vaciado de hormigón de limpieza (aproximadamente 10 cm).
  6. Encofrado de zapatas y riostras.
  7. Colocación de la armadura inferior con separadores.
  8. Disposición de la armadura de espera de pilares («enanos»).
  9. Armado de las riostras.
  10. Vertido, vibrado y curado del hormigón. Durante este proceso, se deben cumplir disposiciones como mantener la excavación por debajo de la rasante (0,5 a 0,8 m), evitar la caída libre del hormigón, y no circular sobre el hormigón fresco.

¿Qué son las zapatas combinadas, continuas bajo pilares y continuas bajo muro, y cuándo se utilizan?

  • Zapata combinada: Apoya dos o más columnas cuando las cargas no son excesivas. Se usa si las zapatas aisladas estarían muy cerca (complicando la excavación) o si se buscan asentamientos uniformes, actuando de forma rígida. Se busca que el centro de gravedad de la superficie coincida con el de las acciones.
  • Zapata continua bajo pilares (vigas de cimentación): Son zapatas corridas que soportan tres o más pilares. Tienen una gran longitud en comparación con su sección transversal. Son menos susceptibles a asentamientos diferenciales o vacíos en el terreno que las zapatas aisladas.
  • Zapata continua bajo muro (zapata corrida bajo muro): Caracterizadas por una gran longitud en relación con otras dimensiones, se utilizan como base para muros portantes o cimentación de elementos lineales. Su objetivo es lograr homogeneidad en los asentamientos y reducir las tensiones en el terreno en comparación con las zapatas aisladas, además de ofrecer mayor facilidad constructiva.

¿Cuál es la función de las riostras en las cimentaciones y cómo influye la sismicidad en su disposición?

Las riostras son vigas de hormigón armado que conectan las zapatas. Su función principal es evitar los movimientos relativos entre las zapatas (corrimientos) y absorber cargas horizontales, por lo que son fundamentales para la resistencia a los sismos. Es necesario realizar un atado perimetral de las zapatas. La densidad y la disposición de estas vigas de atado dependen directamente de la aceleración sísmica esperada en la zona.

  • Si la aceleración sísmica está entre 0,06 g y 0,16 g, el atado puede ser unidireccional.
  • Si la aceleración sísmica es igual o superior a 0,16 g, se requiere un atado bidireccional, lo que indica una mayor densidad de riostras para lograr una mayor estabilidad.

¿Cuándo se utilizan los emparrillados y las losas de cimentación, y cuáles son sus ventajas y consideraciones clave?

  • Los emparrillados de cimentación recogen múltiples pilares en una única cimentación formada por zapatas corridas que se entrecruzan en una malla (generalmente ortogonal), lo que proporciona gran rigidez. Se utilizan cuando la presión admisible del terreno es baja, hay una elevada deformabilidad o se esperan importantes asentamientos diferenciales. Son menos sensibles a las heterogeneidades o defectos locales del terreno.
  • Las losas de cimentación (o placas de cimentación) se usan cuando la superficie de las zapatas individuales superaría el 50 % de la superficie del edificio. Son ideales para sótanos estancos por debajo del nivel freático y para reducir los asentamientos diferenciales. Son útiles en terrenos con escasa capacidad portante y en construcciones con poca superficie en relación con su volumen (por ejemplo, rascacielos o silos). Aunque pueden triplicar el coste de las zapatas, ofrecen ventajas como una mayor rigidez y la posibilidad de realizar cimentaciones «compensadas», en las que el peso de la tierra excavada equilibra el peso del edificio y se reducen los asentamientos. Las losas postesadas ofrecen rapidez, menor excavación, mayor capacidad de carga y durabilidad. Una consideración importante es el riesgo de levantamiento del fondo de la excavación en losas grandes, por lo que se requieren pantallas laterales con suficiente empotramiento.
Figura 3. Algunos tipos de cimentaciones superficiales. Imagen elaborada a partir de: http://www.generadordeprecios.info/

 

 

Referencias:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

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Ralph B. Peck: Una vida dedicada a la ingeniería geotécnica

Ralph B. Peck (1912 – 2008). https://www.ngi.no/en/about-ngi/ngis-historical-libraries/peck/

Ralph Brazelton Peck (23 de junio de 1912 – 18 de febrero de 2008) fue uno de los ingenieros civiles más influyentes del siglo XX. Su legado en el campo de la geotecnia se forjó a lo largo de décadas de investigación, enseñanza y práctica profesional. Nacido en Winnipeg (Canadá), creció en un ambiente técnico, ya que su padre, Orwin K. Peck, era ingeniero estructural especializado en obras ferroviarias. Esa influencia temprana marcó su destino profesional.

Aunque de niño soñaba con ser operador de tranvías, su padre lo persuadió para que estudiara ingeniería. A los 18 años rechazó becas de la Universidad de Colorado y de la Escuela de Minas de Colorado y se matriculó en el Instituto Tecnológico de Rensselaer (RPI) de Nueva York en 1930. Ese verano trabajó en la Denver & Rio Grande Railroad, donde comenzó su experiencia práctica en el mundo ferroviario. Durante sus estudios en RPI, diseñó su primer puente ferroviario, un puente con vigas de 20 m sobre el río Ánimas en Nuevo México, construido durante sus vacaciones de invierno de 1930, aunque más tarde fue destruido por una crecida del río.

En 1934, se graduó en Ingeniería Civil, pero como no encontró trabajo a causa de la Gran Depresión, aceptó una beca para cursar estudios de posgrado en estructuras, geología y matemáticas. En 1937 se doctoró en ingeniería civil con una tesis sobre rigidez en puentes colgantes, revisada por el reconocido ingeniero David Barnard Steinman.

Ese verano trabajó en la American Bridge Company, pero perdió su empleo al cabo de unos meses debido a la falta de proyectos. En marzo de 1938, cuando aún no había recibido ofertas de trabajo, tomó una decisión trascendental: pidió un préstamo de 5000 dólares a su suegro para estudiar mecánica de suelos en la Universidad de Harvard, bajo la tutela de Arthur Casagrande. Esta formación definiría el rumbo de su carrera profesional. Pocos días después, rechazó una oferta de trabajo como diseñador de puentes en la empresa Waddell & Hardesty, en Nueva York, para dedicarse a la geotecnia.

Casagrande lo aceptó en sus clases, primero como oyente y luego como ayudante de laboratorio. También colaboró con Ralph E. Fadum en el campo. Pronto, Peck comenzó a relacionarse con algunas de las figuras más destacadas del ámbito geotécnico: además de Casagrande, conoció y trabajó con Albert E. Cummings —pionero en cimentaciones con pilotes, quien más tarde le legó su biblioteca técnica—, Laurits Bjerrum, Alec W. Skempton y, especialmente, Karl Terzaghi, con quien forjaría una profunda amistad y colaboración profesional.

En enero de 1939, Terzaghi lo eligió como su representante en la obra del metro de Chicago, proyecto en el que había sido contratado como consultor. Peck asumió un papel central, manteniendo correspondencia constante con Terzaghi, a quien entregaba datos, informes y observaciones. También recibió la guía de Ray Knapp, jefe de inspección de obras del metro, a quien Peck consideró una influencia igual de formativa que Terzaghi por enseñarle a desenvolverse con eficacia en organizaciones complejas. Otra figura relevante en esta etapa fue Ralph Burke, ingeniero jefe de varios grandes proyectos en Chicago, con quien colaboró más adelante como consultor.

Su trabajo en el metro de Chicago fue clave en su desarrollo profesional. Allí aplicó, junto a Terzaghi, métodos avanzados de muestreo, medición de deformaciones e interpretación de suelos. Esta experiencia se materializó en el libro Soil Mechanics in Engineering Practice, publicado en 1948, escrito conjuntamente con Terzaghi y basado en gran medida en su experiencia conjunta. En esta obra se introdujo por primera vez el término «prueba de penetración estándar» (SPT), un concepto desarrollado a partir de un instrumento creado por Charley Gow en Boston. Terzaghi elogió públicamente la ética, el carácter y la rigurosidad de Peck durante el proceso de redacción.

En 1942, Peck se incorporó como profesor asistente de investigación en la Universidad de Illinois, donde impartió clases durante 32 años, hasta 1974. Aunque inicialmente dictaba cursos de estructuras, pronto se dedicó por completo a la geotecnia. En 1945, Terzaghi se unió como profesor visitante y su colaboración continuó en los años siguientes.

En 1953, Peck publicó junto con Thomas H. Thornburn y Walter E. Hanson el libro Foundation Engineering, que fue adoptado como texto en más de 50 universidades, consolidando aún más su influencia educativa. Su dedicación a la formación de ingenieros fue incuestionable y muchos de sus alumnos se convirtieron en figuras destacadas en el campo de la geotecnia.

Tras jubilarse, Peck mantuvo una intensa actividad como consultor, participando en más de mil proyectos en cuarenta y cuatro estados de EE. UU. y veintiocho países de cinco continentes. Su experiencia fue requerida en presas como la de Itezhi-Tezhi, en Zambia, y la de Saluda, en Carolina del Sur; en proyectos de transporte como el BART de San Francisco y los metros de Washington, Los Ángeles y Baltimore; así como en la cimentación del puente Rion-Antirion, en Grecia, y el oleoducto Trans-Alaska.

Entre 1969 y 1973, fue presidente de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. A lo largo de su carrera publicó más de 200 artículos y fue ampliamente galardonado:

  • 1944: Medalla Norman de la ASCE

  • 1965: Premio Wellington de la ASCE

  • 1969: Premio Karl Terzaghi

  • 1975: Medalla Nacional de Ciencia, otorgada por el presidente Gerald Ford

  • 1988: Medalla John Fritz

  • 1999: La ASCE estableció el Ralph B. Peck Award, que premia contribuciones destacadas al desarrollo profesional de la ingeniería geotécnica mediante estudios de caso e innovaciones en metodología de diseño.

En 2009, el Instituto Geotécnico Noruego inauguró la Biblioteca Ralph B. Peck, junto a la Biblioteca Karl Terzaghi, en Oslo. En ella se conserva correspondencia entre ambos ingenieros, documentos históricos, diarios técnicos y informes que dan fe de su legado compartido.

Ralph Peck también influyó en figuras como Karl Terzaghi, quien lo consideró no solo un colega brillante, sino también un ejemplo de integridad profesional. Su enfoque metódico, su respeto por la observación cuidadosa y su compromiso con la excelencia lo convierten en una figura clave en la historia de la geotecnia.

Se casó con Marjorie E. Truby en 1937 y tuvo dos hijos. Falleció el 18 de febrero de 2008 a los 95 años, víctima de una insuficiencia cardíaca. Su vida representa una combinación única de rigor científico, habilidad práctica y vocación docente. Hoy, su legado perdura en cada estructura que ayudó a construir y en cada ingeniero al que inspiró.

Una de las frases que más me impactaron a nivel profesional es la que figura en mi blog. Dice lo siguiente:

“En mi opinión, nadie puede ser un buen proyectista, un buen investigador, un buen líder en la profesión de la ingeniería civil, a menos que entienda los métodos y los problemas de los constructores”

(Ralph B. Peck, 1912-2008)

Os dejo algunos vídeos de este insigne ingeniero.

Seguimiento inteligente de deslizamientos en suelos de loess: aplicaciones prácticas y lecciones para el ingeniero civil

Acaban de publicar un artículo en la revista, Geomechanics for Energy and the Environment, de la editorial Elsevier, indexada en el JCR. El presente artículo examina un estudio que combina medición en pilotes de hormigón armado, tecnologías GNSS e InSAR y simulaciones de elementos finitos para entender cómo interactúan factores como la presión, la temperatura y la humedad en la evolución de taludes colapsables.

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, y es fruto de la colaboración internacional con investigadores de la Hunan University of Science and Engineering (China).

Podéis descargar el artículo de forma gratuita, hasta el 22 de julio de 2025, en la siguiente dirección: https://authors.elsevier.com/c/1lCKs8MtfNSrg1

En entornos donde los suelos de loess presentan alta susceptibilidad a deslizamientos, disponer de información precisa y temprana resulta determinante para garantizar la estabilidad de las infraestructuras y la seguridad de las comunidades.  A partir de los datos de campo y de la validación numérica, se extraen conclusiones clave sobre cómo dimensionar sistemas de refuerzo, configurar umbrales de alerta temprana y optimizar el diseño de pilotes en proyectos reales. A lo largo del texto se detallan tanto la metodología empleada como las aportaciones más relevantes, la interpretación de los resultados y las líneas futuras de investigación, de modo que el profesional del sector disponga de criterios sólidos para aplicar en obra o en la elaboración de proyectos de contención y estabilización en loess.

Metodología

El estudio combina la vigilancia de campo y simulación numérica para caracterizar el comportamiento de deslizamientos en suelos de loess. Se diseñó una red de instrumentación que incluye:

  • Pilotes de hormigón armado con sensores de presión y temperatura instalados a distintas profundidades (entre 2 m y 16 m). Estos sensores registran continuamente variaciones de tensión y temperatura, permitiendo asociar cambios térmicos con redistribuciones de fricción lateral entre pilote y suelo.
  • Receptores GNSS de alta precisión para medir desplazamientos superficiales con cadencia diaria.
  • Técnicas InSAR destinadas a generar mapas de deformación de superficie con resolución milimétrica.
  • Sensores de alambre vibrante para detectar cambios en humedad y densidad del terreno, claves para evaluar la resistencia interna del suelo y su evolución ante variaciones de carga y humedad.

En paralelo, en laboratorio se realizaron ensayos geomecánicos sobre muestras de loess. Se determinaron parámetros fundamentales: cohesión, ángulo de fricción, módulo de deformación y relación de vacíos. Estos datos alimentaron un modelo tridimensional de elementos finitos de tipo termomecánico, que incorpora:

  1. Parámetros de resistencia al corte y rigidez del suelo, calibrados mediante comparación con los desplazamientos y tensiones reales observados en campo.
  2. Condiciones de contorno tomadas de las lecturas de GNSS, InSAR y sensores en pilotes, para reproducir las condiciones de carga estática y los ciclos térmicos naturales.
  3. Proceso de optimización iterativa, ajustando el modelo hasta que las predicciones de deformación coincidieran con los datos de monitorización (diferencia inferior al 5 % entre desplazamientos numéricos y medidos) .

Este enfoque dual—campo y simulación—garantiza que las conclusiones numéricas se basen en datos reales y que los sistemas de seguimiento puedan ser validados frente a un modelo predictivo confiable.

Aportaciones relevantes

El artículo introduce un método integral de monitorización inteligente que va más allá del registro de desplazamientos superficiales. Los aspectos más destacados, con aplicación directa para el ingeniero civil, son:

  • Medición de tensiones internas en profundidad: La instalación de sensores de presión en pilotes permite identificar aumentos de carga a diferentes niveles. Los resultados mostraron que la presión tiende a incrementarse de forma monótona con la profundidad, lo que indica que los estratos inferiores soportan una mayor carga estática. Este comportamiento aporta información valiosa para dimensionar pilotes y elementos de refuerzo, pues revela en qué zonas del talud se concentran esfuerzos críticos antes de que se trasladen a la superficie.
  • Indicadores térmicos de fricción lateral: Las variaciones de temperatura registradas en los pilotes resultan ser un indicador temprano de cambios en la interacción entre el hormigón y el terreno. Aumentos de temperatura intermedios de hasta 3 °C por ciclos diurnos se correlacionaron con un incremento momentáneo de fricción lateral, lo que puede retrasar o anticipar movimientos dependientes de la descompresión del terreno. Para el ingeniero, esto significa que el seguimiento térmico aporta información adicional sobre el estado crítico del pilote antes de observar movimientos visibles.
  • Integración de GNSS e InSAR: Al combinar medidas GNSS (desplazamientos puntuales diarios) con mapas InSAR (cobertura continua de la superficie), se obtiene una visión conjunta de movimientos tanto profundos como superficiales. En el estudio, los desplazamientos de superficie máximos alcanzaron 26,2 mm, con velocidades de 0,11 mm/día, mientras que en profundidad se observaron desplazamientos de hasta 5,64 mm. Estos resultados permiten calibrar sistemas de alerta temprana sobre umbrales de desplazamiento en superficie que reflejen con mayor fiabilidad la evolución interna del talud.
  • Validación del modelo numérico: La comparación entre las simulaciones de elementos finitos y los datos de campo mostró concordancia en las tendencias de deformación. El modelo predijo con precisión que los bloques con geometría más inclinada y menor cohesión interna sufrirían desplazamientos sustanciales (hasta 6,48 m en algunos tramos simulados), mientras que bloques de forma más estable presentaron desplazamientos medios inferiores a 0,20 m. Esta validación otorga credibilidad al modelo para anticipar magnitudes de deformación en función de propiedades geomecánicas y geometría del talud.

En conjunto, estas aportaciones proveen al ingeniero civil una base sólida para diseñar sistemas de protección y refuerzo, establecer niveles de alerta basados en parámetros internos (presión y temperatura) y optimizar diseños de pilotes según las condiciones específicas del terreno de loess.

Discusión de resultados

Los registros de presión en pilotes revelaron que a profundidades superiores a 10 m los valores oscilan entre 50 kPa y 65 kPa, mientras que en los primeros metros (2 m–5 m) se sitúan entre 5 kPa y 20 kPa. Estos gradientes de presión confirman que la mayor parte de la carga estática recae en los estratos inferiores, algo habitual en suelos colapsables. Para el ingeniero, esta información práctica implica que, al diseñar pilotes de refuerzo, debe dimensionarse la sección y longitud considerando un incremento significativo de esfuerzos por debajo de 10 m de profundidad.

Asimismo, las variaciones térmicas registradas mostraron que, durante días con escasa precipitación, las temperaturas del hormigón en pilotes oscilan en un rango de 2 °C a 3 °C en zonas intermedias. Este efecto térmico se traduce en un aumento temporal de la fricción entre el pilote y el suelo, lo que actúa como un freno temporal al movimiento. Sin embargo, tras eventos de lluvia intensa, la entrada de agua reduce la temperatura y, simultáneamente, se observa una disminución de la fricción lateral, provocando repentinamente un aumento de desplazamientos en la superficie. Para el diseño práctico, esto sugiere que los sistemas de alerta temprana deben incorporar sensores de temperatura en pilotes para correlacionar descensos térmicos con posibles incrementos de desplazamiento.

Los desplazamientos superficiales medidos mediante GNSS e InSAR confirman que los movimientos más significativos (hasta 26,2 mm) se producen después de periodos de lluvia intensa, cuando la capacidad de drenaje del loess se ve limitada y presta a la saturación parcial del estrato superior. En estos momentos, los desplazamientos profundos (hasta 5,64 mm) preceden a los superficiales, lo que indica que la evolución interna puede anticipar la inestabilidad. En la práctica, esto recomienda que el seguimiento continuo de movimientos profundos—detectables por un ligero desplazamiento en pilotes o por un ligero aumento de presión de poros—sea prioridad para emitir avisos antes de observar grandes desplazamientos en la superficie.

Desde el punto de vista de la simulación numérica, el modelo de elementos finitos calibrado con los parámetros geomecánicos del loess mostró que los desplazamientos máximos simulados en bloques con ángulos de inclinación superiores a 30° podrían alcanzar valores de hasta 6,48 m en escenarios extremos de carga gradual. En contraste, bloques con inclinación por debajo de 20° presentaron apenas 0,20 m de deformación promedio. Estos resultados empíricos permiten al ingeniero estimar rangos de deformación potenciales según la geometría del talud y decidir si es necesario instalar medidas de contención adicionales (muros de mampostería, gaviones o anclajes). Asimismo, la validación numérica asegura que, en proyectos futuros, el ingeniero pueda confiar en simulaciones previamente calibradas para evaluar la viabilidad de distintas intervenciones.

Futuras líneas de investigación

Con el objetivo de mejorar la práctica profesional, se proponen las siguientes líneas de estudio:

  1. Escenarios sísmicos y precipitaciones extremas: Ampliar la investigación hacia eventos sísmicos de magnitud superior a 5,0 Ritcher y lluvias prolongadas con más de 50 mm/día. Es preciso analizar la respuesta dinámica del suelo y del hormigón en pilotes, incorporando modelos viscoelásticos que reflejen el comportamiento frente a aceleraciones y ciclos de carga rápidos. Esto permitirá definir nuevos criterios de seguridad para zonas de riesgo sísmico y diseñar pilotes con mayor ductilidad o sistemas de disipación de energía.
  2. Control de humedad y nivel freático: Incluir sensores de humedad de alta frecuencia y piezómetros para registrar en tiempo real la evolución del nivel de agua en el subsuelo. Vincular estos datos con la variación de presión de poros y temperatura en pilotes facilitará una lectura más precisa de la dinámica agua-suelo, identificando umbrales de saturación que reduzcan drásticamente la cohesión del loess. Para la práctica, esto significa instar a la instalación de estaciones meteorológicas locales y piezómetros en proyectos en zonas colapsables.
  3. Algoritmos de aprendizaje automático: Desarrollar modelos que integren todos los datos multi-sensoriales (GNSS, InSAR, presión, temperatura, vibración y humedad) para detectar patrones tempranos de reactivación. Las redes neuronales profundas o las máquinas de soporte vectorial pueden clasificar con mayor antelación estados de riesgo, automatizando alertas y permitiendo intervenciones más eficientes. El ingeniero podría disponer de una herramienta que genere notificaciones automáticas al superar umbrales críticos combinados.
  4. Durabilidad de pilotes y fatiga térmica: Investigar la resistencia a largo plazo de los pilotes de hormigón sometidos a ciclos térmicos y mecánicos. Ensayos acelerados de fatiga térmica, por ejemplo, podrían simular 10 años de degradación en semanas de laboratorio, determinando la resistencia residual del hormigón y sus revestimientos. Estos estudios serían útiles para seleccionar aditivos o recubrimientos que impidan la aparición de fisuras por dilataciones y contracciones repetidas.
  5. Interacción entre tráfico e inestabilidades de talud: Analizar cómo las vibraciones generadas por tráfico rodado intenso afectan el desarrollo de grietas y concentraciones de tensión en suelos de loess. Mediante modelos acoplados vehículo-terreno, se podría determinar si reemplazar capas de refuerzo rígido por materiales con mayor capacidad disipadora de energía reduce los efectos adversos en taludes cercanos a carreteras. Esta línea resultará de utilidad para ingenieros de firmes y geotecnia que trabajen en infraestructuras viales cercanas a zonas inestables.

Conclusión

El estudio presenta una estrategia de seguimiento inteligente que combina mediciones de presión y temperatura en profundidad, datos GNSS e InSAR, y simulaciones numéricas termomecánicas para describir con detalle el comportamiento de deslizamientos en loess. Para el ingeniero civil, los hallazgos prácticos son:

  • La presión en pilotes crece significativamente con la profundidad, por lo que el dimensionado debe contemplar refuerzos más robustos bajo los 10 m.
  • Las variaciones térmicas en pilotes anticipan cambios de fricción lateral, recomendando el uso de sensores de temperatura para mejorar sistemas de alerta.
  • Los desplazamientos profundos preceden a los superficiales tras lluvias intensas, por lo que priorizar la monitorización interna puede prevenir movimientos de gran magnitud en superficie.
  • Los bloques con ángulos de inclinación superiores a 30° son más vulnerables y requieren medidas de contención adicionales, hecho que valida la simulación numérica como herramienta predictiva.

En definitiva, la combinación de datos de campo y modelización proporciona una base sólida para diseñar soluciones de refuerzo y sistemas de alerta temprana más ajustados a la realidad del terreno. Herramientas adicionales—como el seguimiento continuo de humedad, algoritmos de inteligencia artificial y estudios de fatiga térmica—podrían perfeccionar las estrategias de diseño y mantenimiento de infraestructuras en zonas de loess, favoreciendo la seguridad y la eficiencia de las intervenciones.

Referencia:

ZHOU, Z.; WANG, Y.J.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Intelligent monitoring of loess landslides and research on multi-factor coupling damage. Geomechanics for Energy and the Environment, DOI:10.1016/j.gete.2025.100692