Cimentaciones profundas: tipos, diseño y ejecución

Cuando las capas superficiales del suelo no son adecuadas para soportar las cargas de la construcción a realizar, es necesario transferir dichos esfuerzos a las capas más profundas, a través de las cimentaciones profundas.

Veamos qué tipos de cimentaciones profundas se utilizan comúnmente y qué herramientas para el cálculo estructural pueden ser de apoyo al diseño.

Cimentaciones directas e indirectas: ¿qué cambia?

Por cimentación se entiende la unidad tecnológica que actúa como conexión estática entre el edificio y el suelo y que tiene la tarea de transmitir al terreno las cargas impuestas a la construcción. Por lo tanto, las estructuras en elevación, junto con las cimentaciones y el suelo, forman un único conjunto funcional.

Para diseñar las cimentaciones, son indispensables datos que conciernen a todo el conjunto funcional e incluyen:

• las características del suelo (obtenidas de un adecuado plan de investigaciones geológicas, geofísicas y geotécnicas realizadas en el sitio y de análisis en laboratorio);
• las cargas transmitidas por el edificio al suelo (evaluadas según el tipo de estructura a construir);
• la morfología del área de intervención (identificada con levantamientos en el campo realizados con diversas técnicas de adquisición de datos);
• la profundidad del plano de colocación de las cimentaciones.

En base a estos datos, es importante que el proyectista elija el tipo de cimentación, según la morfología (extensión de la superficie de apoyo, etc.), el comportamiento estático, las características del suelo sobre el que inciden.

Macroscópicamente, las cimentaciones pueden clasificarse en:

• directas, cuando transmiten las cargas de la construcción a las capas más superficiales del suelo (cimentaciones de losa, de zapatas, etc.);
• indirectas, cuando transfieren los esfuerzos a las capas más profundas del suelo (cimentaciones sobre pilotes, micropilotes, etc.).

A su vez, estas categorías macro se dividen en subcategorías adicionales, según su morfología y la forma de transferencia de cargas.

Configuración de cimentaciones sobre plintos

A continuación, veremos los tipos y características de las cimentaciones profundas.

Para obtener más información sobre las cimentaciones superficiales, lee este artículo Cimentaciones superficiales: tipos y métodos de diseño BIM.

¿Qué son las cimentaciones profundas?

Las cimentaciones profundas, o cimentaciones indirectas, son elementos estructurales utilizados para transferir la carga de un edificio al suelo subyacente a través de capas de suelo más estables y capaces de soportar el peso. Este tipo de cimentación es esencial cuando el suelo superficial no es adecuado para soportar el peso de la construcción o cuando es necesario alcanzar capas más compactas y resistentes.

Cimentación sobre pilotes

Tipos de cimentaciones profundas

Las cimentaciones profundas se pueden dividir en diferentes tipos, entre los cuales:

Pilotes hincados o de perforación

Elementos estructurales verticales que alcanzan la profundidad requerida mediante hincado o perforación, con o sin extracción de suelo. Se realizan mediante diferentes técnicas y tecnologías, y en diferentes materiales, entre los cuales:

• madera, utilizados principalmente en la construcción histórica, suelen tener un diámetro de alrededor de 20 cm y una longitud máxima de entre 8 y 10 metros;
• hormigón armado, con un diámetro generalmente de unos 30 cm, pueden alcanzar hasta 30 m de profundidad, garantizando resistencia y durabilidad a lo largo del tiempo;
• bentonita, material arcilloso derivado de la alteración de rocas ígneas vítreas. Al entrar en contacto con el agua se convierte en un gel impermeable e hidrorrepelente, caracterizado por un aumento significativo de volumen (15-20 veces mayor que el inicial) y por una absorción que hace que la masa alcance un peso 5 veces superior al de una cantidad igual de material seco. Estos tipos de pilotes se utilizan en presencia de suelos particularmente incoherentes o de aguas subterráneas muy superficiales;
• Franki, el tubo metálico tiene una punta de hormigón. Una vez hincada la punta en el suelo, el hormigón formará la base del pilote, asentado sobre la capa de suelo más resistente, en la cota elegida;
• Simplex, consiste en un tubo metálico con una punta abrible. El tubo metálico se introduce en el suelo y evita que el suelo excavado sea invadido por escombros durante el vertido. Una vez hincado en el suelo, se abre la punta para permitir el vertido de hormigón. Al finalizar la operación, se retira el tubo;
• Benoto, un tipo particular de pilote perforado, caracterizado por diámetros importantes (incluso hasta 2 m), adecuado para soportar cargas muy importantes (del orden de varias toneladas).

Micropilotes (o pilotes de pequeño diámetro)

Similares a los pilotes de cimentación perforados, pero de dimensiones reducidas (con un diámetro generalmente entre 10 y 30 cm), los micropilotes se utilizan cuando el espacio es limitado o cuando se necesita un menor impacto en el suelo circundante, así como para intervenciones de consolidación del suelo además de ser un elemento de cimentación para estructuras en altura. Pueden alcanzar profundidades de entre 2 y 50 m.

Tipos de cimentaciones directas e indirectas

Tecnología ejecutiva de pilotes perforados

La realización de pilotes perforados es un proceso complejo que requiere el uso de equipos especializados. Este proceso permite la creación de «columnas» de hormigón armado dentro del terreno, con la base colocada a profundidades significativas, en correspondencia con capas de suelo con adecuadas características mecánicas de resistencia a la carga. Gracias a este sistema, es posible transferir las fuerzas de carga de la superficie a las capas más profundas y generalmente más resistentes del suelo, permitiendo la construcción de cimentaciones estables incluso en presencia de suelos con escasas características mecánicas. Existen diversas técnicas para la realización de pilotes perforados, como pilotes CFA (Continuos Flight Auger) o de hélice continua, FDP (Full Displacement Pile), etc.

Fases del proceso de ejecución

Aquí están las principales fases involucradas en el proceso de ejecución de los pilotes perforados:

• excavación de perforación rotativa: la primera fase consiste en la excavación del suelo mediante el uso de una perforadora hidráulica equipada con varios utensilios adecuados al tipo de suelo. Se utilizan diferentes herramientas como la broca centrífuga para suelos de baja y media consistencia o suelos sueltos, las brocas helicoidales con diferentes tipos de dentados para atravesar capas rocosas, y las coronas con picos para enfrentar rocas o suelos más duros;
• colocación de la armadura: una vez retirado el material de desecho de las excavaciones de perforación, se procede a la inserción en el agujero de una jaula metálica preensamblada, formada por barras longitudinales envueltas en una espiral soldada. Esta jaula metálica constituye la armadura del pilote, que aumenta la resistencia estructural y proporciona soporte durante el vertido de hormigón;
• vertido de hormigón: la fase final consiste en verter el hormigón dentro del agujero de perforación. El hormigón, al finalizar los tiempos técnicos para su maduración, formará un cuerpo único con la armadura de acero previamente colocada. El hormigón suele ser vertido mediante bombas especiales o mediante el uso de camiones mezcladores y posteriormente se compacta para eliminar posibles burbujas de aire y garantizar una distribución uniforme.

Tecnologías para la perforación de pilotes

Es importante recordar que, según el tipo de suelo, la posible presencia de agua subterránea o las necesidades ejecutivas y de diseño específicas, se distinguen dos principales tecnologías para la perforación de pilotes de pequeño diámetro:

• rotativa o rotopercusión con circulación de fluido utilizada como medio para la desintegración y transporte del material de desecho de la excavación. Utilizado generalmente en suelos cohesivos e incoherentes bajo el nivel freático. El funcionamiento implica la rotación de un cincel, colocado en la base de una batería, que al girar desmenuza el suelo. Por eso la técnica también se llama «perforación por destrucción del núcleo». La circulación del fluido de perforación (compuesto por lodo bentonítico o polímeros) que se bombea dentro del agujero tiene la función de enfriar y lubricar el cincel. Además, elimina los desechos y estabiliza las paredes del agujero durante las operaciones de perforación. Los componentes del equipo de perforación deben dimensionarse en relación con la profundidad a alcanzar, el diámetro del pilote a realizar y el tipo de suelo a perforar;
• rotopercusión con martillo de fondo y extracción del suelo de desecho con aire comprimido sin uso de fluidos de perforación; generalmente utilizado en suelos de naturaleza incoherente en ausencia de agua subterránea.

Modalidades de vertido de hormigón

• en un único vertido a baja presión, a través del tubo de armadura, logrando un recubrimiento del elemento de acero lo suficientemente uniforme (diámetros habituales 13-30 cm);
• en múltiples vertidos a alta presión, mediante válvulas de retención, para aumentar el caudal incluso en presencia de suelos pobres (diámetros habituales 10-20 cm).

Micropilotes autoperforantes: ¿qué son?

Los micropilotes autoperforantes representan una solución innovadora en el campo de las cimentaciones, ofreciendo una combinación de rapidez, eficiencia y resistencia. Este tipo de micropilote se realiza mediante la inserción en el suelo por rotopercusión de una barra de acero hueca roscada, equipada con una punta de perforación desechable. Durante el proceso, se utiliza una lechada cementosa como fluido de perforación y lavado.

El proceso de realización de los micropilotes autoperforantes incluye:

• perforación e inserción de la barra: la perforación comienza con la inserción de la barra en el suelo, con la ayuda de maquinaria especializada. La barra está diseñada para interceptar la capa de suelo resistente, garantizando una base estable para la transferencia de la carga estructural;
• creación del bulbo cementoso: durante la perforación, se forma alrededor de la barra un bulbo cementoso que actúa como elemento de anclaje, permitiendo la transferencia de la carga al suelo circundante. Este proceso es fundamental para garantizar la estabilidad y resistencia de la cimentación;
• protección contra la corrosión: la cementación del bulbo no solo garantiza la estabilidad estructural, sino que también protege la barra de acero contra la corrosión, prolongando su vida útil y asegurando la seguridad a largo plazo de la estructura.

El proceso de realización se lleva a cabo en una única fase, que incluye la perforación, la inserción de la barra y la cementación. Esto hace que la técnica sea particularmente rápida y eficiente, reduciendo los tiempos de construcción y los costes totales del proyecto.

Otras especificaciones

A diferencia de otras técnicas, no es necesario extraer el suelo durante la perforación, lo que hace que los micropilotes autoperforantes sean ideales para sitios donde la contaminación del suelo y la eliminación del suelo de desecho serían problemáticas y costosas.

Esta técnica tiene diversas aplicaciones, como:

• consolidación o integración de cimentaciones y edificios existentes o de nueva construcción;
• consolidación de infraestructuras de diversos tipos;
• consolidación de taludes y pequeños deslizamientos;
• consolidación de pavimentos industriales para permitir aumentos de capacidad de carga.

Además, la versatilidad de los micropilotes autoperforantes permite la realización de pilotes inclinados. Esto optimiza la transferencia de cargas en profundidad o ayuda a perforar una cimentación existente para consolidarla o integrarla. Gracias a sus numerosas ventajas y diversas aplicaciones posibles, los micropilotes autoperforantes representan una solución confiable y eficiente para los desafíos geotécnicos y estructurales en varios contextos de construcción e ingeniería civil.

Herramientas de diseño para cimentaciones indirectas

Antes de la fase de construcción y ejecución de pilotes y micropilotes de cimentación, es necesario abordar todos los desafíos relacionados con el diseño.

El uso de un software BIM para el cálculo estructural ofrece beneficios significativos en el diseño de pilotes de cimentación y cimentaciones indirectas en general. En primer lugar, los software BIM permiten crear modelos digitales detallados y precisos de la estructura edificada y del suelo circundante. Esto permite integrar información geométrica, estructural y geotécnica en un único modelo. Además, este enfoque permite una evaluación más completa y precisa de las condiciones del sitio y de las necesidades estructurales. Por lo tanto, permite tomar decisiones informadas durante el diseño de las cimentaciones.

Además, los software BIM ofrecen herramientas avanzadas para el análisis estructural y la simulación del comportamiento de los pilotes de cimentación bajo diferentes cargas y condiciones de carga. Estas herramientas permiten evaluar la idoneidad de los pilotes diseñados para soportar la carga prevista e identificar posibles áreas críticas o sobrecargas. Además, la capacidad de realizar análisis dinámicos y simular el comportamiento sísmico de los pilotes ayuda a mejorar la seguridad y estabilidad de la estructura en caso de eventos sísmicos.

Otras ventajas del utilizo de un software BIM

Una ventaja significativa del uso de software BIM para el cálculo estructural es la posibilidad de optimizar el diseño de los pilotes de cimentación según las necesidades específicas del proyecto. Los diseñadores pueden explorar una amplia gama de soluciones de cimentación y evaluar rápidamente el impacto de diferentes opciones en el rendimiento estructural y los costes. Esto permite identificar la solución óptima que maximiza la eficiencia estructural y minimiza los gastos de construcción.

Finalmente, la integración de los modelos BIM con otros software y plataformas de gestión BIM permite una mayor colaboración y coordinación entre los diferentes miembros del equipo de diseño y las partes interesadas. Esto favorece una comunicación más efectiva, reduce el riesgo de errores y conflictos durante la fase de construcción y mejora la entrega general del proyecto.

Aquí tienes un video que muestra cómo insertar pilotes de cimentación en un modelo BIM, utilizando un software de cálculo estructural.