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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

UNIDAD DE POSGRADOS

MAESTRIA EN INGENIERIA ESTRUCTURAL

CIMENTACIONES PROFUNDAS NO CONVENCIONALES EN PUENTES

Materia: TECNOLOGIA DE PUENTES

Profesor: Ing. Guillermo Candela

Presenta: Gerardo Javier Jovel Rodrguez

13 de Enero de 2014.

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I N D I C E

PAG.

1. INTRODUCCION. ............................................................................................................. 3

2. CIMENTACIONES ............................................................................................................. 3

2.1 TIPOS DE CIMENTACIONES .............................................................................................. 4

2.1.1 CIMENTACIONES SUPERFICIALES ..................................................................................... 4

2.1.2 CIMENTACIONES PROFUNDAS ......................................................................................... 4

2.1.3 CIMENTACIONES PROFUNDAS POCO CONVENCIONALES ................................................. 6

3. CAJONES INDIOS. ............................................................................................................ 7

4. CAJONES DE AIRE COMPRIMIDO (Ref. 6)

............................................................................ 16

5. CAJONES FLOTANTES. .................................................................................................... 20

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................... 24

7. REFERENCIAS. ................................................................................................................ 24

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1. INTRODUCCION.

En este trabajo se aborda el tema de cimentaciones y su aplicacin en puentes, partiendo de la definicin

bsica de cimentacin, clasificacin y tipologa segn criterios de profundidad, conceptualizacin y procesos

constructivos. Se hace especial nfasis en cimentaciones de tipo profundas, sin embargo no se aborda el tema

de pilotes (sin importar su dimetro) por ser consideradas convencionales o de uso ms generalizado en

fundaciones profundas. El nfasis es hecho en fundaciones o ms bien procesos constructivos (ya que en

algunos casos existen combinaciones entre las diversas clasificaciones) no convencionales, tales como cajones y

pozos de cimentacin, conocidos antiguamente como cajones indios o simplemente caissons (por su palabra

en francs), cajones de aire comprimido o cajones neumticos, cajones de fondo abiertos y fondo cerrado. Se

explica su tipologa, usos y procesos constructivos, lo cual es explicado esquemticamente y se agregan videos

de algunas obras realizadas por estos medios. Adicionalmente se explica el uso de las tablestacas como un

proceso constructivo secundario o auxiliar en la construccin de la cimentacin de un puente.

2. CIMENTACIONES

La cimentacin es el elemento estructural que recibe las cargas provenientes de la super y sub-estructura, y las

transmite a un estrato de suelo capaz de resistirlas.

Los criterios de tipos de suelo, estratigrafa, propiedades fsicas, mecnicas, qumicas, comportamiento ante

solicitaciones estticas y dinmicas, potencial de licuacin, as como las posibles relaciones de impedancia en

su interaccin con la estructura, vendrn dados por los estudios geolgicos y de geotecnia, cuyos alcances

podran variar segn la magnitud, importancia y singularidad de la obra a proyectar y en algunos lamentables

casos por la inversin que el propietario de la obra destine para ello.

Estos estudios, las condiciones del lugar, la tecnologa que est al alcance, procesos constructivos, experiencia

y otras circunstancias propias de la obra (acceso, poca de construccin, estudios hidrolgicos etc), sern la

base sobre la cual el proyectista definir el tipo de cimentacin y el proceso constructivo ms apropiado para la

obra.

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2.1 TIPOS DE CIMENTACIONES

Las cimentaciones pueden clasificarse de acuerdo a la profundidad, materiales utilizados, proceso constructivo.

Para fines de este trabajo se presenta una clasificacin clsica generalmente utilizada por muchos autores:

Cimentaciones Superficiales y Cimentaciones Profundas.

2.1.1 CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Son aquel tipo de cimentacin apoyado directamente en el estrato resistente del terreno, cuando ste se

encuentra a relativa poca profundidad o incluso a nivel del terreno (en el caso de tener afloramientos de roca

slida). El caso ms comn de cimentacin superficial son las zapatas, las cuales pueden ser aisladas para pilas

o columnas, corridas en el caso de muros de estribos o combinadas (cuando soportan una o ms columnas), la

unin de zapatas corridas, originar una fundacin de tipo reticular y segn sea la magnitud de las cargas y

capacidad de carga del terreno, podra tratarse de una placa de cimentacin. Existen varias subclases para las

cimentaciones superficiales; segn su posicin, segn su rigidez, etc, sin embargo no es el objetivo de este

trabajo profundizar al respecto.

2.1.2 CIMENTACIONES PROFUNDAS

Cuando el estrato de suelo resistente se encuentra a una profundidad considerable, se dice que la

cimentacin es profunda, una manera de poder establecer la frontera entre superficial y profundo es la

siguiente: si la relacin entre la profundidad de la cimentacin y el ancho de la misma es mayor a 5, entonces

se considera que una cimentacin es profunda (este es un criterio til, no absoluto). En estos casos se recurre a

la solucin de cimentacin profunda que se constituye por medio de muros verticales profundos, o bien a base

de pilares hincados o perforados en el terreno, denominados pilotes.

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PILOTE: Soporte , normalmente de concreto armado, de una gran longitud en relacin a su seccin

transversal, que puede hincarse o construirse in situ en una cavidad abierta en el terreno.

Los pilotes pueden alcanzar profundidades superiores a los 40 m teniendo una seccin transversal de 2-4 m,

pudiendo gravitar sobre ellos una carga de 2,000 ton.

La eficacia de un pilote depende de:

El rozamiento y la adherencia entre el suelo y el fuste del pilote.

La resistencia por punta, en el caso de transmitir compresiones. Ante posibles esfuerzos de traccin, se

puede ensanchar la parte inferior del pilote, de forma que trabaje el suelo superior (pata de elefante).

La combinacin de las dos anteriores

Una forma de clasificar los pilotes es por la forma en que trabajan: por punta o por friccin.

APLICACIONES

El empleo de cimentaciones mediante pilotaje est indicado en los siguientes casos:

Cuando la carga transmitida por las estructuras no puede ser distribuida en el terreno de forma

uniforme mediante el empleo de sistemas de cimentacin directa como zapatas o losas.

Cuando el nivel del firme no puede ser alcanzado de forma sencilla o se encuentra a gran profundidad.

Cuando los estratos superiores del terreno son poco consistentes hasta cotas profundas, contienen

gran cantidad de agua o bien se necesita cimentar por debajo del nivel fretico.

Cuando se prevea que los estratos inmediatos a la superficie de cimentacin pueden determinar

asientos imprevisibles de cierta importancia

Si se quiere reducir o limitar los posibles asentamientos.

En presencia de grandes cargas y concentradas

Si las distintas capas superficiales de los terrenos pueden sufrir variaciones estacionales como

hinchamiento, retracciones, etc.

En edificaciones sobre el agua.

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2.1.3 CIMENTACIONES PROFUNDAS POCO CONVENCIONALES

Es precisamente la ltima aplicacin en la que es recomendable el uso de pilotes por la cual se abordan

este tipo de cimentaciones. Dejando por un lado el tema de los cimientos directos (zapatas aisladas),

histricamente para construir los cimentos de los puentes se recurra a lo que se conoci como cimientos en

escollera. Lo cual consista en arrojar macizos de piedra para generar una superficie sobre la cual apoyar los

cimientos del futuro puente. Sin embargo, se tena el inconveniente que el cauce del ro se estrechaba con el

consiguiente aumento en la velocidad del cauce, en pocas de lluvias estas velocidades podan arrastrar la

escollera, produciendo el colapso de las obras, esta es la razn por la que ya no se utiliza este sistema ms que

solo en puertos, adecuando el volumen de la rocas a las corrientes u oleaje del sitio.

Para solucionar lo anterior se empez a utilizar pilotes de madera (en esos aos an no existan el concreto

armado), en combinacin con escollera, sobre todo en terrenos blandos o muy socavables. Esto fue un

progreso, y as estn construidos numerosos puentes en Europa, los cuales an perduran. Sin embargo se

segua produciendo arrastre de la escollera y remolinos en el cauce del ro. Por lo que se vio la conveniencia de

empotrar lo ms posible el cimiento en el lecho de los ros, haciendo necesario la excavacin en los cauces de

los mismos y conseguir que dicha excavacin quedara en seco.

Siendo la necesidad de la excavacin en seco, se ideo la construccin de un recinto impermeable, por

medio del cual podra aislarse el lugar donde se construira el cimiento, achicar el agua en el interior y luego ya

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en seco, construir el cimiento, a este recinto impermeable se le denomino Atagua, lo cual an se sigue

utilizando, como veremos ms adelante. Son muchos los tipos de Ataguas que existen, desde los ms sencillos

con terraplenes de 2 m de alto hasta alturas considerables de 40 m.

El procedimiento anterior presenta al inconveniente que la estructura auxiliar (Atagua) no es parte integral

del cimiento, por lo que en el peor de los casos deber ser removida, aumentando los costos del mismo.

Puesto que el cimiento estar en constante contacto con el agua, se han ideado o adaptado tcnicas de

otros usos al mbito de los puentes, dando lugar al proceso constructivo conocido como CAJONES o CAISSON

(por su palabra en Francs). De los cuales se presentan a continuacin algunas de sus variantes: Cajones Indios,

Cajones de Aire Comprimido, Cajones de fondo Abierto y Cajones de Fondo Cerrado.

3. CAJONES INDIOS.

Este sistema aplicado a puentes surge por la lgica constructiva que el cimiento quedara en constante

contacto con el agua, por lo que podra hacerse su construccin por encima de la superficie y posteriormente

hundirlo o hincarlos hasta la profundidad deseada. El principio de construccin es el que se ha seguido desde

tiempo inmemorial en la India para excavacin de pozos en terrenos flojos, de aqu su nombre Sistema Indio,

Pozo Indio o Cajones Indios. Su uso resulta prctico, sin embargo requiere que sea hecho en sobre terreno o

sobre un terrapln fabricado en el lecho del cauce del ro o isla artificial. En estos sistemas no hay lmite en

cuanto a la profundidad ms que la adherencia lateral de los tubos o cajones.

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Consisten en la hinca de un cajn con su borde inferior biselado que se va construyendo a medida que

progresa la excavacin del material que va quedando encerrado en su interior, actualmente ha quedado

bastante en desuso debido a los pilotes de gran dimetro que son ms sencillos de construir, solamente se

puede realizar en terrenos blandos.

A continuacin se ilustra el proceso constructivo de un cajon Indio:

ILUSTRACION DESCRIPCION

Construccin de

terraplen o Isla,

donde ira el cajon.

Se observa en la

imagen la isla ya

fabricada y el

armado de la

cuchilla cortadora.

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Armado de

Cuchilla cortadora

Excavacion Al

interior

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Colado de

elementos

superiores de

anillos

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Una vez alcanzado

el nivel deseado:

Se coloca el tapon

inferior del cajon

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Colado de tapon

Superior. El cual

transmitir las

cargas del puente

a las paredes del

cajon y estas al

fondo del mismo.

Tambin se conocen como pozo de cimentacin (en francs caisson) es un tipo de cimentacin semiprofunda,

utilizada en suelos blandos, donde no son adecuados las cimentaciones superficiales. Los caissons tiene gran

similitud con los pilotes, la diferencia est en que los caissons son de mayor dimetro y casi siempre van

construidos in situ. La particularidad del pozo de cimentacin es la de que se va construyendo a medida que se

va hundiendo en el terreno.

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Este tipo de cimentacin se requiere muchas veces soportar cargas horizontales o inclinadas adicionales a la

carga vertical, en corrientes de agua de gran velocidad y profundas, como ocurre en las pilas para puentes

sobre ros que tienen que soportar una carga lateral por fuerza de viento en la superestructura, de la traccin

de los vehculos que usan el puente, de las corrientes en el ro y algunas veces de escombros flotantes o hielo.

En la siguiente figura se observan unos pozos de cimentacin recin iniciados:

Una variante del mtodo mostrado anteriormente es aquel por medio del cual el avance del cajn se hace

conforme se avanza en la excavacin, siguiendo el siguiente proceso:

ILUSTRACION DESCRIPCION

Trazo

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Excavacin primer anillo

Colado de primer anillo

Excavacin de segundo anillo

Colado de segundo anillo

Proceso sucesivos hasta alcanzar la profundidad

deseada. Desalojo de material del fondo con

maquinaria

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Colocacin de armadura al interior del Cajon

Colado del interior del cajn

Armadura de liga o Tapon con la estructura

Esquema general del caisson construido

En el siguiente link puede verse un video de la Universidad de los Andes en el proceso constructivo de un Cajn

Indio. Video 1

En este link se puede observar el proceso constructivo de un pozo de cimentacin para una tubera. Video 2.

En este link se puede observar el proceso constructivo de un pozo de un caisson para una edificacin (idioma

japons) Video 3.

En el siguiente links puede encontrarse un posible mtodo para el clculo de un pozo de cimentacin. Click

Aqu

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4. CAJONES DE AIRE COMPRIMIDO (Ref. 6)

Se trata de una variante del cajn Indio, son cajones de fondo abierto en las que existe una cmara de trabajo

sometida a una presin superior a la atmosfrica para impedir que el agua entre en la excavacin. Se trata de

las cimentaciones mediante cajones neumticos o de aire comprimido. Su uso es apropiado en suelos muy

flojos o muy permeables, que hacen imposible el abatimiento del agua en su interior. Actualmente estn en

desuso por el elevado riesgo de trabajo al someter a los trabajadores a una descompresin en el organismo.

Hoy da existen procedimientos (por ejemplo pilotes de gran dimetro) que son ms sencillos de construir,

suficientemente seguros, rpidos y econmicos que permiten evitar riesgos innecesarios, especialmente los

procesos de compresin y descompresin que requieren tiempos suficientes, tal y como ocurre en los trabajos

realizados por los buzos o submarinistas. En 1830 el britnico Thomas Cochrane ide y patent un sistema para

cimentar en seco, mientras que en Francia, de forma paralela, el ingeniero de minas francs Jacques Triger ide

en el ao 1839 un sistema para poder excavar en el interior de la mina de Chalonnes -que diriga- en la zona

cubierta por el agua del cercano ro Loira. Mediante una cmara llena de aire a presin consegua evitar la

entrada del agua y as poder trabajar cmodamente. Haban inventado el cajn de aire comprimido.

Puente de Saltash (Isambar Brunel, 1854-1859)

El aire comprimido fue empleado por primera vez encajones de puentes por John Wright en 1851 para los

pilares de puente Rochester, y algunos aos ms tarde por Isambard Brunel en el puente Saltash. El primero

que lo utiliz en cimentaciones de puentes muy grandes fue James B. Eads, en el puente St. Louis sobre el ro

Mississippi, comenzado en 1864. El capitn Eads conoca muy bien el Mississippi, por eso saba que el lecho era

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muy socavable. En una ocasin haba buceado con escafandra durante una de las crecidas del ri y pudo

observar el movimiento de las arenas del fondo. Por eso no dud en bajar las cimentaciones a gran

profundidad por debajo del lecho del ro. Los dos pilares situados en el ro se hundieron por medio de aire

comprimido hasta profundidades de 26 y 28 m bajo el nivel del agua, lo que constituy un xito notable ya que

los efectos fisiolgicos al trabajar bajo elevadas presiones de aire eran ms o menos desconocidos por aquel

tiempo. Los mtodos de hundimiento ideados por Eads han variado hasta ahora nicamente en algunos

detalles. Daniel E. Moran introdujo en 1936 un nuevo tipo de cajn conocido con el nombre de cajn de

flotacin, siendo empleado para el puente sobre la baha de San Francisco-Oakland.

Puente de St. Louis sobre el ro Mississippi (James B. Eads, 1864-1874)

Puente de Brooklyn, Nueva York (John Augustus Roebling, 1867-1883)

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En Estados Unidos el ejemplo ms llamativo en el uso de cajones de aire comprimido es el puente de Brooklyn.

Se trata de cajones de 52 por 31 m, en el lado de NuevaYork, que se dividieron en seis habitaciones donde

trabajaban entre 15 y 20 personas en cada una de ellas hasta 180 personas en su interior- y lo bajaron cerca

de 24 metros bajo las aguas del Hudson. Hubieron grandes problemas y accidentes con las descompresiones,

donde la mitad de los trabajadores sufrieron graves secuelas, y donde el propio Washington

Roebling, ingeniero jefe tras la muerte de su padre John A. Roebling, diseador del puente, sufri tambin las

secuelas tras una visita de obra.

Cajones de aire comprimido para la cimentacin del puente de Brooklyn

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El procedimiento constructivo consiste en la hinca de un cajn con su borde inferior biselado o con forma de

cuchilla que se va construyendo a medida que progresa la excavacin del material que va quedando encerrado

en su interior. Cuando se alcanza el lecho de roca, la cmara de trabajo se llena de hormign y se convierte en

la base permanente para la cimentacin. Su uso se limita a terrenos muy permeables o flojos debido al posible

sifonamiento, cuando no sea posible el uso de un mtodo alternativo. Antes de iniciar el proceso constructivo

se hunde como un cajn abierto, tan profundo como sea posible. Mediante la inyeccin de aire comprimido se

evita el desmoronamiento de las paredes.

El cajn de aire comprimido suele tener un cilindro de acceso para los trabajadores, y otro cilindro

independiente para los cangilones donde se coloca el material excavado. Hay unas compuertas hermticas que

permiten mantener constante la presin de la campana durante la entrada y la salida de trabajadores y

materiales. La presin debe equilibrarse en ambos lados de la compuerta para poder abrirla.

Mediante este mtodo se pueden llegar a estratos de hasta 35 m de profundidad bajo el nivel del agua (pues

los hombres no pueden trabajar a presiones de aire superiores a los 3.5 kg/cm2), no es necesario el

abatimiento del agua, es posible el acceso directo al fondo para vencer ciertos obstculos durante el proceso

de hinca y el fondo, una vez alcanzado, se puede observar y limpiar directamente, por lo que se garantiza unas

condiciones buenas de cimentacin. Sin embargo, entre los inconvenientes de este tipo de tcnica destacan los

siguientes: costos unitarios por material excavado altos y primas por peligrosidad a los trabajadores, pues se

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puede producir la muerte de los trabajadores por asfixia si hay una descompresin rpida de la cmara de

trabajo. Ello obliga a duplicar las fuentes de energa para mantener la seguridad en la presin de aire.

Un proceso por cajones de aire comprimido puede iniciarse como un cajn indio hasta donde se pueda y luego

continuar como cajn de aire comprimido. Sin embargo se tendr la limitacin de 35 m bajo el nivel del agua

por limitaciones fsicas en el cuerpo humano.

En grandes construcciones, ms de un tubo es necesario; se proporciona una antecmara de compresin en

cada uno de ellos. Los cajones neumticos se entierran gradualmente conforme avanza la excavacin. Cuando

se alcanza el estrato de apoyo, la cmara de trabajo se llena con concreto.

El proceso constructivo es similar a los cajones Indios, con la variante claro est de la campana de aire

comprimido en el fondo de la excavacin.

En el siguiente video puede verse el proceso constructivo del puente de Brooklyn, mediante cajones con aire

comprimido. Video 4

5. CAJONES FLOTANTES.

Una tcnica moderna de construccin de cimientos de puentes y que tiene su fundamento en los cajones

Indios o simplemente Caissons son los cajones flotantes, los cuales inicialmente pueden ser fabricados en

tierra, a la orilla del rio o del ocano y luego ser transportados por flotacin (usando remolques) al lugar de la

obra, por medio de Sistema de Posicionamiento Global (GPS) estos son ubicados en el lugar correcto y luego se

procede similarmente como con los cajones indios a construir sobre ellos las paredes de acuerdo a la

geometra del cajn, ste proceder a hundirse en el lecho marino, llegado el momento el fondo del cajn

puede ser removido y se procede a achicar el agua y remover el suelo, mientras tanto sobre el nivel de las

aguas s continua con la construccin del cajn, con el consecuente hundimiento de ste hasta alcanzar el nivel

de suelo resistente por debajo del lecho del mar. Ejemplo de estos casos son el New Tacoma Narrows Bridge

en Estados Unidos y el Puente Oresund que une Dinamarca con Suecia.

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Fotos Puente New Tacoma Narrows Bridge

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Fotos de puente Oresund

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En el siguiente link puede apreciarse una animacin computarizada el proceso constructivo de los caissons del

New Tacoma Narrows Bridge. Video 5.

En el siguiente video se tiene una explicacin ms detallada y del proceso real de la construccin del puente

New Tacoma Narrows. Video 6.

En el siguiente link se aprecia la propuesta del proceso constructivo del Viaducto de Ulloa en Espaa. Video 7,

en el cual se observa el uso de tablestacas como ataguas.

Tablestacado para fundaciones de Viaducto sobre Ro Ulloa

En el siguiente link se aprecia un video con un proceso constructivo tpico de pilotes y tablestacas en el mar.

Video 8

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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Actualmente existen diversos procesos constructivos, cuyas bases se pierden en el tiempo como el caso de los

cajones indios, sin embargo con las nuevas tecnologas y maquinarias pueden retomarse y realizar obras cada

vez ms espectaculares, como es el caso de cajones flotantes para grandes obras. El uso de estas tecnologas

podrn parecer no estar al alcance de nuestro pas. Sin embargo se tienen ejemplos de estas tecnologas en

puentes como Cuscatln, Puente San Marcos Lempa, Puente Nuevo Edn de San Juan, el las cuales se ha

utilizado pilotes de gran dimetro, ataguas, excavaciones utilizando lodos bentonitios, cimentaciones directas

y sobre pilotes.

Las tcnica de cajones indios o caisson pueden ser aplicables en nuestro pas si las condiciones de los suelos asi

lo requieren y tanto el acceso al lugar como la tecnologa al alcance nos limite, pues habrn lugares en los que

no se podr pilotear.

7. REFERENCIAS.

1. Tratado de Construccin. Heinrich Schmitt.

2. Puentes de fbrica y hormign armado, J. Eugenio Ribera, tomo II, 1926. Capitulo III y Captulo IX.

http://demo.activasistemas.com/opandalucia-intro/index.php?id=67&L=1

3. Tratado de Construccin: Lo que el proyectista debe saber. Enrique Rodn. Editorial Revert. 1979.

http://books.google.com/books?id=K-

zJFkDBcKgC&pg=PA746&lpg=PA746&dq=cajones+indios&source=bl&ots=jeSyNxfv3W&sig=gFXJICz6Q

MO_7BuPB7JtC_ixvhA&hl=es&sa=X&ei=w7zSUoOJDJe2sASw-

IHIDA&sqi=2&ved=0CEAQ6AEwBQ#v=onepage&q=cajones%20indios&f=false

4. Revista de Obras Pblicas. No. 3064. 1970 Las cimentaciones Realizadas con Cajones de Aire

Comprimido. Una tcnica en trance de desaparecer. Jesus L. Presa Santos.

http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/1970/1970_tomoI_3064_05.pdf

5. Material de Clase Tecnologa de Puentes. Ing. Guillermo Candela, UES 2013.

6. Blog de Victor Yepes.

http://victoryepes.blogs.upv.es/2013/01/23/cimentacion-mediante-cajones-de-aire-comprimido/