Mecanica de Suelos II Investigacion
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Carrera profesional de ingeniería civil
INTRODUCCION
Una cimentación adecuadamente diseñada es la que transfiere la carga a través del
suelo sin sobre esforzar a éste. Sobre esforzar al suelo conduce a un asentamiento
excesivo o bien a una falla cortante del suelo, provocando daños a la estructura. Por
esto, los ingenieros geotecnias y estructuritas que diseñan cimentaciones deben
evaluar la capacidad de carga de los suelos.
Una zapata aislada o corrida es simplemente una ampliación de un muro de carga o
columna que hace posible dispersar la carga de la estructura sobre un área grande
del suelo. En suelos con baja capacidad de carga, el tamaño de las zapatas
requeridas es grande y poco práctico. En tal caso, es más económico construir toda la
estructura sobre una losa de concreto, denominada losa de cimentación.
Las cimentaciones con pilotes y pilas perforadas se usan para estructuras más
pesadas cuando se requiere gran profundidad para soportar la carga. Los pilotes son
miembros estructurales hechos de madera, concreto o acero, que transmiten la carga
de la superestructura a los estratos inferiores del suelo.
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OBJETIVO
El terreno al recibir cargas que son transmitidas por la cimentación tiende a
deformarse en una o varias de sus capas dependiendo de la compresión y las
propiedades del mismo, las cuales pueden variar con el tiempo o con algunos factores
como lo son el tiempo o la variación de volumen de vacíos como consecuencia de la
compactación de terreno, el desplazamiento y deformación de las partículas al irse
acumulando estas, lo cual producen asentamientos en la superficie de contacto entre
la cimentación y el terreno.
Los cimientos juegan un papel muy importante dentro de la cimentación ya que
estos distribuyen las cargas de la estructura hacia el suelo, de tal manera que
el suelo y los materiales que lo constituyen tengan una capacidad suficiente de
soportarlas sin sufrir deformaciones excesivas.
Dependiendo de la interacción del suelo y la cimentación, las características de
esta cambiaran en cuanto a su tipo, forma, tamaño, costo, etc., de aquí se
concluye que, si se quiere una construcción segura y económica, se daban
tener conocimientos de mecánica de suelos y de diseño de cimentaciones
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CIMENTACIONES SUPERFICIALES
1. IMPORTANCIA
Según (Diez Milagros, Navarro Jack) El comportamiento del terreno bajo tensión está
afectado por su densidad y por las proporciones de agua y aire residentes en los
vacíos. Estas propiedades varían con el tiempo y depende en cierto modo de otros
factores. Para comportarse de modo aceptable las cimentaciones superficiales deben
tener dos características elementales:
La cimentación debe ser segura frente a una falla por corte general del suelo
que la soporta.
La cimentación no deber experimentar un asentamiento excesivo (el adjetivo
excesivo depende de varias consideraciones, como las estructurales propias
de la edificación)
Las cimentaciones superficiales aquellas zapatas aisladas conectadas y combinadas
así como también cimientos corridos y plateas de cimentación.
PROFUNDIDAD DE CIMENTACION
Es la distancia desde el nivel de la superficie del terreno a la base de la cimentación.
La profundidad de cimentación quedara definida por el PR y estará condicionada a
cambios de volumen por humedecimiento-secado, hielo – deshielo y otras
condiciones particulares. (NORMA E050)
Las plateas de cimentación deben ser losas rígidas de concreto armado con acero en
dos direcciones y llevar una viga perimetral.
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Si para una estructura se plantea varias profundidades de cimentación
deben determinarse la carga admisible el asentamiento diferencial para
cada caso.
Cuando la cimentación queda por debajo de la cimentación es existente el PR deberá
analizar el requerimiento de alcanzar la cimentación vecina según lo indicado en los
artículos.
Las cimentaciones no deben estar sobre turba del orgánico y perjudicial para estas
estos materiales deben ser removidos en su totalidad antes de construir la edificación.
Cimentación sobre rellenos
los rellenos son depósitos que se diferencian por su naturaleza y por las condiciones
bajo las que son colocados.
1- Materiales seleccionados: partículas no mayores de 7.5 (3”), con 30% o menos
de material retenido en la malla ¾
2- materiales no seleccionados: todo aquel que no cumpla con la condición
anterior.
Rellenos controlados o de ingeniería
Son aquellos con los que se construye material seleccionado teniendo condiciones de
apoyo que las cimentaciones superficiales los métodos para la conformación
compuesta se encontraron dependen de: si el material deberá ser compactado de la
siguiente manera (NORMA E050)
1- si tiene más de 12% de finos deberá compactarse 1 densidad mayor igual el
90%
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2- si tiene igual o menos de 2% de finos deberá compactarse 1
densidad no menos del 95%
En todos los casos es siempre importante realizar controles de compactación en
todas las capas compactadas y se deberá realizar por cualquiera de los siguientes
métodos.
1- ensayo de penetración estándar NTP por cada metro de espesor de relleno
controlado.
2- Ensayo de cono de arena NTP 339.143 o por medio de métodos nucleares.
Rellenos no controlados
las cimentaciones superficiales no podrán ser construidos sobre estos los cuales
deberán ser reemplazados en su totalidad por materiales seleccionados debidamente
y compactados. (NORMA E050)
TEORIAS DE CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS
LA CAPACIDAD DE CARGA (según el libro de Juares badillo)
Suelos puramente “cohesivos” (cy^O; <j> = 0)
Suelos puramente “friccionantes” (c = 0; <j> ^ 0).
Algunas de las teorías más usadas hoy se presentarán, sin embargo, para el caso
más amplio de suelos con "cohesión” y “fricción”.
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CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA DE CIMENTACIONES
SUPERFICIALES
Conceptos generales
Según (Vesic, 1963).Consideremos una franja de cimentación (es decir, una cuya
longitud es teóricamente infinita) descansando sobre la superficie de una arena densa
o de un suelo cohesivo firme, como muestra la figura 11.2a, con un ancho B. Ahora, si
la carga es aplicada gradualmente a la cimentación, el asentamiento aumentará.
Si la cimentación bajo consideración descansa sobre arena o suelo arcilloso de
compactación media (figura l1.2b), un incremento de la carga sobre la cimentación
también estará acompañado por un aumento del asentamiento.
Si la cimentación está soportada por un suelo bastante suelto, la gráfica carga
asentamiento será como la de la figura 11.2c. En este caso, la superficie de falla en el
suelo no se extenderá hasta la superficie del terreno. Más allá de la carga última de
falla, qw la gráfica carga-asentamiento será muy empinada y prácticamente lineal.
Este tipo de falla en el suelo se denomina falla de cortante por punzonamiento.
(Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985) figura 11.2)
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(Nota: L es siempre mayor que B.)Para cimentaciones cuadradas, B =
L; para cimentaciones circulares, B = L = diámetro. Entonces
B* = B
Fuente
fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985) figura 11,3
CRITERIOS DE DEISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES
ESFUERZOS PERMISIBLE TRANSMITIDO
Según (Ing. Jorge Alva Hurtado) Es la presión máxima que no causa daño estructural
en condiciones diferentes en el suelo es decir que no ocurra asentamiento los errores
se atribuyen a la mala clasificación del suelo. En muchos casos se verifica con
ensayos de carga.
FACTOR DE SEGURIDAD CONTRA FALLA POR CAPACIDAD PORTANTE.
El factor de falla de 2-4 no solo debe reflejar la incertidumbre de falla sino también la
observación de la teoría y práctica que el asentamiento no es excesivo.
MOVIMIENTOS PERMISIBLES
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Existen varios movimientos que pueden ser tolerados por la estructura y
deben ser permisibles entonces es necesario calcular el asentamiento
permisible.
CRITERIOS DE DISEÑO
Asentamiento uniforme
Inclinación
Asentamiento no uniforme
RELACION DE ASENTAMIENTO Y DAÑO
El asentamiento máximo permisible por las normas es de 1 pulgada usualmete
especificada para zapatas
TEORÍA DE LA CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA
Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad
última de carga de cimentaciones superficiales, la cual dice que una cimentación es
superficial si la profundidad de la cimentación es menor que o igual al ancho de la
misma. Sin embargo, investigadores posteriores han sugerido que cimentaciones con
de igual a 3 o 4 veces el ancho de la cimentación se definen como cimentaciones
superficiales.
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Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
figura 11.4
Los ángulos CAD y ACD se suponen iguales al ángulo de fricción del suelo. Note que
al reemplazar el suelo arriba del fondo de la cimentación por una sobrecarga
equivalente q, la resistencia cortante del suelo a lo largo de las superficies de falla GI
y HJ fue despreciada.
Usando el análisis del equilibrio, Terzaghi expresó la capacidad última de carga en la
forma
Con base en estudios de laboratorio y campo de la capacidad de carga, la naturaleza
básica de la superficie de falla en suelos sugerida por Terzaghi parece ahora ser
correcta (Vesic, 1973).
MODIFICACIÓN DE LAS ECUACIONES PARA LA CAPACIDAD DE CARGA POR
LA POSICIÓN DEL NIVEL DEL AGUA
Meyerhof (1963) La expresión para la capacidad de carga última presentada en la
ecuación (11.3) es sólo para una cimentación continua y no se aplica en el caso de
cimentaciones rectangulares.
Además, la ecuación no toma en cuenta la resistencia cortante a lo largo de la
superficie de falla en el suelo arriba del fondo de la cimentación sugirió la siguiente
forma para la ecuación de capacidad general de carga:
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Las relaciones para los factores de forma, factores de profundidad y factores de
inclinación recomendados para usarse, son de la tabla anterior. fue desarrollada para
determinar la capacidad última de carga con base en la suposición de que el nivel del
agua está localizado debajo de la cimentación.
Sin embargo, si el nivel está cerca de la cimentación, son necesarias algunas
modificaciones en la ecuación de la capacidad de carga, dependiendo de la
localización del nivel del agua
Caso 1: Si el nivel del agua se localiza de modo que O>DI<D. el factor que en las
ecuaciones de capacidad de carga toma la forma
Caso II: Para un nivel de agua localizada de modo que O<d<B.
Caso III: Cuando el nivel está localizado de modo que d >B, el agua no tendrá efecto
sobre la capacidad de carga última.
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EL FACTOR DE SEGURIDAD
El cálculo de la capacidad de carga admisible total en cimentaciones superficiales
requiere la aplicación de un factor de seguridad (FS) a la capacidad de carga total
última Sin embargo, algunos ingenieros en la práctica prefieren usar un factor de
seguridad de incremento del esfuerzo neto sobre el suelo = capacidad de carga última
neta/FS. La capacidad de carga última neta se definió en la ecuación
Sustituyendo esta ecuación en la (11.13) se obtiene incremento
del esfuerzo neto sobre el suelo = carga por la superestructura por área unitaria de la
cimentación
CIMENTACIONES CARGADAS EXCÉNTRICAMENTE
Hay varias situaciones en que las cimentaciones son sometidas a momentos además
de la carga vertical, por ejemplo, en la base de un muro de retención, como muestra
la figura. En tales casos, la distribución de la presión por la cimentación sobre el suelo
no es uniforme.
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El factor de seguridad para este tipo de carga contra la falla por
capacidad de carga se evalúa usando el procedimiento sugerido por
Meyerhof (1953), denominado método del área efectiva. El siguiente es el
procedimiento paso a paso de Meyerhof para de Cimentaciones superficiales.
Capacidad de carga y asentamientos del suelo.
Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985) figura 11.7
1. Muestra un sistema de fuerzas equivalente al mostrado en la distancia e es la
excentricidad
Y
Lo que implica que se tendrán tensiones. Como el suelo no puede tomar tensiones,
habrá una separación entre la cimentación y el suelo debajo de ella. La naturaleza de
la distribución de presiones sobre el suelo
2. Determine las dimensiones efectivas de la cimentación como
B' = ancho efectivo = B - 2e
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L I = longitud efectiva = L
3. Use la ecuación (11.7) para la capacidad de carga última como
4. La carga última total que la cimentación soporta es
5. El factor de seguridad contra falla por capacidad de carga es
CIMENTACIONES CON EXCENTRICIDAD EN DOS DIRECCIONES
(Highter y Anders, 1985) Considere una situación en que una cimentación es
sometida a una carga vertical última y a un momento M, como se muestra
Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
Como antes, para evaluar usamos la longitud efectiva (L ' y el ancho efectivo (B') en
vez de L y B, respectivamente. Para calcular Fcd, Fqd Y Fd · usamos la tabla 11.2; sin
embargo, no reemplazamos B por B'. Al determinar el área efectiva (A'), el ancho
efectivo (B' ), y la longitud efectiva (L'), cuatro casos posibles.
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Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
La longitud efectiva es:
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L' = L
Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
Se muestra el área efectiva para este caso. La razón B/B y por tanto B2 se
determinan usando las curvas eL/L que se inclinan hacia arriba. Similarmente, la
razón L/L por tanto, L 2 se determinan usando las curvas eL/L que se inclinan hacia
abajo. El área efectiva es entonces
TIPOS DE ASENTAMIENTOS DE CIMENTACIONES
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El asentamiento de una cimentación consta de un asentamiento
inmediato (o elástico), Se, Y un asentamiento por consolidación, Se. El
procedimiento para calcular el asentamiento por consolidación de cimentaciones
también se explicó. Los métodos para estimar el asentamiento inmediato serán
elaborados en las siguientes secciones. Debido al asentamiento elástico. Sin
embargo, si la cimentación es rígida y está descansando sobre un material elástico
como arcilla, sufrirá un asentamiento uniforme y la presión de contacto se redistribuirá
ASENTAMIENTO INMEDIATO
De acuerdo con Harr (1966), Se muestra una cimentación superficial sometida a una
fuerza neta por área unitaria igual a qo. Sean la relación de Poisson y el módulo de
elasticidad del suelo soportante respectivamente. Teóricamente, si D = 0, H = 00, y la
cimentación es perfectamente flexible, el asentamiento se expresa como.
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Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
Muestra también los valores de a qrom para varias razones L/B de la cimentación.
Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
Sin embargo, si la cimentación mostrada en la figura es rígida, el asentamiento
inmediato será diferente y se expresa como
Las ecuaciones anteriores para el asentamiento inmediato se obtuvieron integrando la
deformación unitaria a varias profundidades debajo las cimentaciones para límites de
z = O a z = oo. Si un estrato incompresible de roca está localizado a una profundidad
limitada, el asentamiento real puede ser menor que el calculado con las ecuaciones
anteriores.
ASENTAMIENTO INMEDIATO DE CIMENTACIONES SOBRE ARCILLAS
SATURADAS
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Janbu y otros (1956) propusieron una ecuación para evaluar el
asentamiento promedio de cimentaciones flexibles sobre suelos de
arcilla saturada (relación de Poisson, I1-s = 0.5).
Donde Al es una función de H/B y L/B, Y Az es una función de D¡/B. Christian y
Carrier (1978) modificaron los valores de Al y Az Y los presentaron en forma gráfica.
Los valores interpolados de Al y Az de esas gráficas se dan en las tablas
Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)
RANGO DE LOS PARÁMETROS DEL MATERIAL PARA CALCULAR EL
ASENTAMIENTO INMEDIATO
Mitchell y Gardner (1975) presentó las ecuaciones para calcular el asentamiento
inmediato de cimentaciones.
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Esas ecuaciones contienen los parámetros elásticos, Si no se dispone
de los resultados de pruebas de laboratorio para esos parámetros, deberán hacerse
ciertas suposiciones realistas para sus valores. La tabla 11.5 da el rango aproximado
de los parámetros elásticos para varios suelos.
Donde N F = número de penetración estándar. Similarmente,
Es = 2qc
Donde qc = resistencia por penetración de cono estática. El módulo de elasticidad de
arcillas normalmente consolidadas se estima como
Es = 250c a 500c
y para arcillas pre consolidadas como
Es = 750c a 1000c
Donde c = cohesión no drenada del suelo de arcilla.
PRESIÓN ADMISIBLE DE CARGA EN ARENA BASADA EN
CONSIDERACIONES DE ASENTAMIENTO
Meyerhof (1956) propuso una correlación para la presión de carga admisible neta
para cimentaciones con la resistencia por penetración estándar corregida, Neor" La
presión admisible neta se define como
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Desde que Meyerhof propuso su original correlación, los investigadores
han observado que sus resultados son algo conservadores. Después, Meyerhof
(1965) sugirió que la presión de carga admisible neta debería incrementarse
aproximadamente 50%. Bowles (1977) propuso que la forma modificada de las
ecuaciones de la presión de carga se expresarán como
Las relaciones empíricas presentadas hacen surgir algunas preguntas. Por ejemplo,
¿qué valor del número de penetración estándar debe usarse? ¿Cuál es el efecto del
nivel del agua freática sobre la capacidad de carga admisible neta? El valor de diseño
de N Cor debería determinarse tomando en cuenta los valores Ncor para una
profundidad de 2B a 3B, medida desde el fondo de la cimentación. Muchos ingenieros
también opinan que el valor
La idea básica detrás del desarrollo de esas correlaciones es que, si el asentamiento
máximo no es mayor de 25 mm para cualquier cimentación, el asentamiento
diferencial no será mayor de 19 mm. Estos son probablemente los límites admisibles
para la mayoría de los diseños de cimentaciones de edificios.
BIBLIOGRAFIA
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- Diseño de cimentaciones – Dr.Ing. Jorge E. Alva Hurtado( CAPITULO 3 “cimentación superficiales”)
- Mecánica de suelos, Tomo II: Teoría y aplicaciones de la mecánica de suelos – Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez ( CAPITULO VIII)
- Diez milagros, Navarro Jack (2008), Estudio Geotécnico con fines de cimentación y pavimentación y zonas explanación y urbana.
- Norma E.050 – CAPITULO IV – Cimentación superficial
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