Mecánica de suelos y cimentaciones

INTRODUCCIÓN MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES


ÍNDICE

INTRODUCCIÓN A ALGUNAS IDEAS DE LA MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA

UNIDADES

BIBLIOGRAFÍA BÁSICA


TIPOS DE ELEMENTOSAl ubicar una construcción en el terreno se producen:

Excavaciones, que en ocasiones precisan ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓNTransmisión de cargas al terreno, a través de las CIMENTACIONES

Las propiedades que rigen el comportamiento del terreno se estudiaron en 3º

En este curso se estudiará el comportamiento del suelo bajo dichas cargas en los casos más usuales, según los criterios del Código Técnico de la Edificación

En 5º se estudian cimentaciones y estructuras especiales

Sólo se apuntarán aspectos estructurales con incidencia en las comprobaciones geotécnicas


CIMENTACIONESEl cálculo de cimentaciones suele ser un proceso de “tanteo”:

Se intenta “apoyar directamente” en la cota de fondo de la construcción mediante zapatasSe analiza:

• El riesgo de rotura del terreno• Sus deformaciones

Si el terreno no es capaz de soportar esas cargas, se plantea:• Reducir las cargas transmitidas aumentando la superficie de

apoyo, mediante losas• Transmitirla a niveles inferiores más resistentes, mediante

cimentaciones profundas, pilotesTambién se tienen en cuenta:

• Aspectos constructivos: métodos, plazos y costes• Presencia de nivel freático• Influencia en construcciones cercanas


ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓNTras una excavación:

Si el terreno no se sostiene por sí solo hay que proyectar una estructura de contenciónÉsta aplicará sobre el terreno unas fuerzas para mantener su equilibrioLas estructuras de contención pueden ser:

• Muros: se ejecutan en el exterior• Pantallas: se ejecutan en el interior, aunque después se

excave parcialmentePueden ser:

• Rígidas: no cambian de forma con los “empujes”• Flexibles

Para su diseño también se tienen en cuenta:• Aspectos constructivos: métodos, plazos y costes• Presencia de nivel freático• Influencia en construcciones cercanas


PROGRAMA DE LA ASIGNATURA1. Estabilidad a corto y largo plazo2. Empuje de tierras3. Estructuras de contención rígidas4. Acondicionamiento del terreno5. Pantallas de hormigón armado para sótanos: construcción y tipología6. Cimentaciones directas: zapata aislada, zapata corrida y pozos7. Zapatas medianeras y de esquina8. Carga de hundimiento de cimentaciones directas9. Vigas flotantes y losas de cimentación10. Cimentaciones por pilotaje. Nociones básicas sobre pilote aislado11. Cimentaciones por pilotaje. Nociones básicas de grupos de pilotes12. Cimentaciones en suelos parcialmente saturados: expansivos y

colapsables


UNIDADESEl sistema de unidades oficialmente vigente en España es el sistema internacional (S.I.)Las unidades fundamentales son:

Masa: kilogramos = kgTiempo: segundo = sLongitud: metro = mTemperatura: grado centígrado = °C

Como unidades derivadas se usan:Fuerza: newton = NPresión: pascal = Pa = N/m2

Múltiplos más comunes de fuerza y presión:Fuerza: kN = 103 N; MN = 106 NPresión: kPa = 103 Pa; MPa = 106 Pa (100 kPa 1 kg/cm2)

Otras unidades derivadas son:Densidad: kg/m3, mg/m3, t/m3

Peso específico: N/m3, kN/m3

Permeabilidad: m/sConsolidación: m2/s


BIBLIOGRAFÍA BÁSICAMINISTERIO DE FOMENTO, 2006. Código Técnico de la Edificación:

Aprobado en marzo 2006Incluye el DOCUMENTO BÁSICO SE-C “CIMIENTOS”El SE-C es obligatorio desde marzo de 2007

MINISTERIO DE FOMENTO, 2005: Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias, ROM 0.5-05.

MINISTERIO DE FOMENTO, 2003: Guía de cimentaciones en obras de carretera

EUROCÓDIGO 7 UNE-ENV 1997 “PROYECTO GEOTÉCNICO”:Parte 1: Reglas generales (En revisión 2004)Parte 2: Proyecto asistido por ensayos de laboratorio (En revisión 2007)Parte 3: Proyecto asistido por ensayos de campo (2002)

JIMENEZ SALAS, J.A., JUSTO, J.L., Y SERRANO, A., 1976. Geotecnia y Cimientos. Vol. II: Mecánica Teórica de los suelos y las Rocas. 2ªedición. Edit. Rueda. Madrid. (69-2/10).

JUSTO, J.L., 2001. Cimentaciones profundas.

RODRÍGUEZ LIÑÁN, C., 1995. Pantallas para Excavaciones Profundas. Textos de Arquitectura, Publicaciones de la E. T. S. de Arquitectura, Sevilla.

TEMA 1 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

TEMA 1: ESTABILIDAD A CORTO Y LARGO PLAZO


ÍNDICELA SEGURIDAD EN EL CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN:

TIPOS DE ACCIONESESTADOS LÍMITESCOMPROBACIONES

ESTABILIDAD A CORTO Y LARGO PLAZO

MÉTODOS DE LAS PRESIONES EFECTIVAS Y TOTALES


INTRODUCCIÓNUna estructura debe:

Soportar las máximas fuerzas que tienen una probabilidad razonable de presentarse durante un período de vida también razonable.Cumplir adecuadamente su funciónY esto debe conseguirse dentro de la máxima economía

La probabilidad de fallo:En estructuras de contención sometidas al empuje de tierras es de 1/1.000 (relleno arcilloso)En cimentaciones es de 1 entre 5.000 a 10.000

La confianza en este cumplimiento se mide con los “coeficientes de seguridad”

En los problemas geotécnicos hay más incertidumbres queen los estructurales por:

La complejidad del comportamiento del terrenoEl reconocimiento del terreno puede no detectar anomalías puntuales(zonas blandas, discontinuidades, etc.)También hay incertidumbres en la geometría y en las accionesconsideradas


LA SEGURIDAD EN EL CÓDIGO TÉCNICOAcerca la terminología a la de las comprobaciones estructurales, según las tendencias de los EUROCÓDIGOS

BASES DE CÁLCULO:El comportamiento debe comprobarse frente a:

• Estados límite últimos: Colapso total o parcial del terreno o fallo estructural de la cimentación

• Estados límite de servicio: Requisitos de deformaciones del terreno

Las situaciones de dimensionado se clasifican en:• Situaciones persistentes: Condiciones normales de uso• Situaciones transitorias: Aplicables durante un tiempo limitado

(sin drenaje o de corto plazo)• Situaciones extraordinarias o excepcionales (sismo)

Las condiciones que aseguren el buen comportamiento de los cimientos se deben mantener durante la vida útil del edificio


TIPOS DE ACCIONESPermanentes para condicionales normales (actúan siempre):

Pesos propios y cargas muertasEmpujes del terrenoEmpujes, presiones y subpresiones del agua permanentes

Variables para un tiempo limitado (puede actuar o no):Acciones específicas del proceso constructivoSituaciones sin drenaje (a corto plazo)Cargas de uso o explotaciónAcciones climáticas (lluvia, viento, nieve, cambios térmicos, etc.)Aumento transitorio del empuje, presión y subpresión del agua

Accidentales, o excepcionales (por su rareza, tienen una escasa probabilidad de ocurrencia):

Inundaciones o avenidas extraordinariasAumento accidental del empuje, presión o subpresión del aguaChoques o impactosSismos


ESTADOS LÍMITEESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS:

Pérdida de la capacidad portante del terreno de apoyo (hundimiento, deslizamiento, vuelco, ...)Pérdida de la estabilidad global en el entornoPérdida de la capacidad resistente por fallo estructuralFallos por efectos que dependen del tiempo (durabilidad, fatiga del terreno bajo cargas, ...)

ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO:Movimientos excesivos que puedan inducir esfuerzos y deformaciones anormales en la estructuraVibraciones que puedan producir falta de confort o reducir la eficacia funcional de la estructuraLos daños o el deterioro que pueden afectar negativamente a la apariencia, a la durabilidad o a la funcionalidad de la obra


COMPROBACIONESMétodo de los coeficientes parciales:

Los estados límite se comprueban mediante modelosLas acciones y los parámetros del terreno se afectan por coeficientes parciales

Acciones:Acciones sobre el edificioAcciones del edificio sobre la cimentaciónAcciones geotécnicas sobre la cimentación

• Acciones que actúan directamente sobre el terreno• Cargas y empujes debidos al peso propio del terreno• Acciones del agua existente en el terreno

Parámetros del terreno:Valor característico: Estimación prudente de su valorDepende del estado límite que se considereSi se utilizan métodos estadísticos se asocia al 95%


ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOSSe utilizan los valores de cálculo de las variables involucradas

Verificación de la Estabilidad (estabilidad al vuelco o estabilidad frente a la subpresión):

Ed,dst: valor de cálculo del efecto de las acciones desestabilizadorasEd,stb: valor de cálculo del efecto de las acciones estabilizadoras

Verificación de la Resistencia (resistencia local y resistencia global):

Ed: valor de cálculo del efecto de las accionesRd: valor de cálculo de la resistencia del terreno

La resistencia como elemento estructural queda verificada si el valor de cálculo del efecto de las acciones del edificio y del terreno sobre la cimentación no supera el valor de cálculo de la resistencia de la cimentación como elemento estructural

stb,ddst,d EE

dd RE


ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOSVALORES DE CÁLCULO DEL EFECTO DE LAS ACCIONES:

Frepr: valor representativo de las accionesXK: valor característico de los materialesad: valor de cálculo de los datos geométricos

E: coeficiente parcial para el efecto de las acciones

F: coeficiente parcial para las acciones

M: coeficiente parcial para las propiedades de los materiales

VALOR DE CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DEL TERRENO:

ER: coeficiente parcial de resistenciaSi se emplea F = M = R = 1 se obtiene el valor característico, RK,de la resistencia del terreno

dM

KreprFEd aXFEE ;;

dM

KreprF

Rd a;

X;FR

1R


TEMA 1 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010 TEMA 1 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

Notas a la tabla 2.1:

Coeficientes de seguridad parciales:E = para el efecto de las acciones

F = para las acciones

M = para las propiedades de los materiales

R = de la resistencia


ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO ASIENTO (s): Descenso de un punto de la cimentaciónASIENTO DIFERENCIAL ( s): Diferencia entre dos puntosDISTORSIÓN ANGULAR ( ): Asiento diferencial entre dos puntos dividido por la distancia que les separa

• Giro relativo: Referido a la línea de inclinación mediaINCLINACIÓN ( ): Ángulo girado con respecto a la vertical según la línea media de deformadaDESPLAZAMIENTO HORIZONTAL (x)DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL DIFERENCIAL ( x)DISTORSIÓN HORIZONTAL ( ): Desplazamiento horizontal diferencial dividido por la distancia entre los puntos


ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO


ESTABILIDAD A CORTO Y LARGO PLAZOAl analizar un cambio de tensiones en el terreno se puede analizar su equilibrio:

A corto plazo: Sin tiempo para el drenajeA largo plazo: Se alcanza una situación estable de

• Presiones intersticiales: Se produce el drenaje• Resistencia: Se alcanza el valor residual

El “tiempo” es relativo y depende de la permeabilidad del terreno

Estas situaciones suelen ser las más críticas:A veces una situación intermedia puede ser más crítica (porincrementos localizados de las presiones intersticiales, por la geometría, las cargas, etc.)En suelos permeables (granulares) “no existe el corto plazo” dadoque el drenaje es instantáneo

Según la situación convendrá estudiar el problema en tensiones efectivas o totales

(LEY DE TERZAGHI: ’= - u)


ESTABILIDAD A CORTO Y LARGO PLAZOEL COEFICIENTE DE SEGURIDAD PUEDE CALCULARSE A:

CORTO PLAZO:• Al cabo de un tiempo lo suficientemente corto, con relación a la

permeabilidad del terreno, para que no haya habidoprácticamente drenaje producido por el cambio de tensiones

• Los suelos saturados poco permeables (k<10–4 cm/s)experimentan un crecimiento de las presiones intersticiales al cargarlos: Se entiende que una situación es de «corto plazo»cuando el suelo, previamente cargado, no ha disipado laspresiones intersticiales generadas por las cargas

LARGO PLAZO:• Al cabo de un tiempo lo suficientemente largo, con relación a la

permeabilidad del terreno, para que se haya llegado a condiciones de equilibrio entre las presiones intersticiales y la resistencia del terreno

• Las presiones intersticiales del terreno se encuentran en régimen estacionario tras haber disipado los excesos de presióninducidos por modificaciones tensionales previas


PRESIONES EFECTIVAS Y TOTALESEn problemas a largo plazo:

Se emplea el método de las presiones efectivasHay que obtener las presiones efectivas y las intersticiales (estudiandola red de corrientes o midiéndolas in situ)

• Por encima del Nivel Freático: = ap

• Por debajo del Nivel Freático: = ’ sat- w ; w=9,81 kN/m3

Los parámetros resistentes del terreno son los obtenidos en ensayos de corte directo o triaxiales, con drenaje: c’ y ’.

En problemas a corto plazo:El suelo está saturado y no ha drenado: Se calcula en presiones totalesy no calculamos las presiones intersticiales (u).

• Por encima del Nivel Freático: = ap

• Por debajo del Nivel Freático: = sat

Los parámetros resistentes del terreno son los obtenidos en ensayos de corte directo o triaxiales, sin consolidación y sin drenaje (o también en ensayos de compresión simple):

• cu=qu/2 ; u=0


PRESIONES EFECTIVAS Y TOTALES

Problemas habituales en geotecnia:Cimentación directa sobre arcillas (edificio o terraplén):

• Más desfavorable a corto plazo– Cálculo en presiones totales– Parámetros de ensayos sin drenaje (cu=qu/2, u)– u=0– Peso específico bajo nivel freático: sat

Muros y taludes (excavaciones):• Más desfavorable a largo plazo

– Cálculo en presiones efectivas + presiones intersticiales– Parámetros de ensayos drenados (c’, ’)– Peso específico sumergido ’


TEMA 2: EMPUJE DE TIERRAS


ÍNDICE

TIPOS DE EMPUJES

TEORÍA DE RANKINE CASOS ESPECIALESTEORÍA DE RANKINE GENERALIZADATEORÍA DE RANKINE EN SUELOS COHESIVOS

TEORÍA DE COULOMBCASOS ESPECIALES

MUROS EN “L”

CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN


TIPOS DE EMPUJESTerreno en reposo:

Movilizando el muro:

Definimos el COEFICIENTE DE EMPUJE, K, como la relación entre las tensiones horizontal y vertical

v

h

Muro

Empujeen reposo

v

h

Muro

Empujeactivo

v

h

v

h

Muro

Empujepasivo


EMPUJE EN REPOSOEMPUJE EN REPOSO:

Es el empuje que ejerce el terreno sobre un muro adosado a él, si éste no experimenta movimiento algunoEs el caso de muros de sótano arriostradosEn terreno homogéneo con superficie horizontal, el empuje es horizontal

COEFICIENTE DE EMPUJE EN REPOSO, KO:Es la relación entre las presiones efectivas horizontal y vertical:

Es constante a diferentes alturasEn suelos normalmente consolidados y arenas:En suelos sobreconsolidados:

siendo Roc la razón de sobreconsolidación:

v

ho '

'K

'sen1Ko

oco R)'sen1(K

actual

p

actual

máxocR


EMPUJE ACTIVOEMPUJE ACTIVO:

Si el elemento de contención, que se supone rígido, sufre un desplazamiento pequeño haciael intradós, la elipse de tensiones se alarga:

• Las tensiones verticales no varían (dependen de la profundidad)

• Las horizontales, empujes, disminuyenSi continua el movimiento, se llega a un estado límite en que el terreno se rompe: La cuña de empuje está en régimen plásticoLos empujes son constantes en este estado límiteEs el caso del empuje sobre muros que no tienen impedido el movimiento hacia el intradós (muros de gravedad, en “L”, …)

El cociente de las tensiones es el COEFICIENTE DE EMPUJE ACTIVO, Ka:

Es menor que el coeficiente de empuje en reposo, Ko

Con movimientos muy pequeños (1/1.000 * altura muro) se consigue llegar a una situación de empuje activo


EMPUJE PASIVOEMPUJE PASIVO:

Si desplazamos el muro contra el terreno, aumentan los empujes de oposición del terrenoSi se rompe, empujará una “cuña de resistencia” hacia arribaLa elipse de tensiones tiene mayor eje horizontalSe alcanza un estado límite de tensión horizontal máximaEs el caso de pantallas ancladas en el terreno

El cociente de las tensiones es el COEFICIENTE DE EMPUJE PASIVO, Kp:

Es mayor que el coeficiente de empuje en reposo, Ko

Hacen falta movimientos del muro contra el terreno muy superiores a los precisos para llegar a una situación de empuje activo


TIPOS DE EMPUJEEl tipo de empuje movilizado depende de la deformación

Sólo Ka y Kp son estados límites

ACTIVO REPOSO PASIVO

Coeficiente Ka Ko Kp

Movimiento preciso (H = altura muro) + 0,001 H 0 - 0,05 H

Valores aproximados 0,25 – 0,30 0,50 3 – 4

Sentido del desplazamiento o giro

Contrario al terreno (hacia el intradós) Nulos Hacia el terreno

(trasdós)

/H

K

Ka 0,3 Ko 0,5

Kp 3,5

EstadoelásticoPlástico Plástico


TIPOS DE EMPUJE


TEORÍA DE RANKINE (1.857)Hipótesis (simplificado):

Superficie del terreno horizontalTrasdós del muro verticalNo existe rozamiento tierras-muroCohesión nula (sólo ’)Sin nivel freático en el trasdósEstratos horizontales de terreno

En un punto a una profundidad z en el trasdós:Sin sobrecarga:Con sobrecarga:

Si se supone que el terreno empuja a la estructura con el mínimo valor que puede alcanzar h sin romperse, se obtiene:

zv

h

qzv

vh K

)2'

45(tg'sen1'sen1

K 2ar )

2'

45(tg'sen1'sen1

K 2pr

zv


TEORÍA DE RANKINEDeducción (empuje activo):

Al empujar el terreno contra el muro disminuyen las tensiones horizontales (las verticales son constantes)El punto de rotura del terreno es aquél en que el círculo de Mohr es tangente a la línea de rotura:

vh

Muro

Empujeactivo

)2'

º45(tg'sen1'sen1

K 2ar

'senOBAB2

AB hv

2OB hv

'sen)()( hvhv

v2

vh 2'

º45tg'sen1'sen1

h v

’

B

A

Línea de rotura

O


TEORÍA DE RANKINEDeducción (empuje pasivo):

Al empujar el muro contra el terreno aumentan las tensiones horizontales (las verticales son constantes)El punto de rotura del terreno es aquél en que el círculo de Mohr es tangente a la línea de rotura:

vh

Muro

Empujepasivo

hv

’

B

A

Línea de rotura

O

)2'

º45(tg'sen1'sen1

K 2pr

'senOBAB2

AB vh

2OB hv

'sen)()( hvvh

v2

vh 2'

º45tg'sen1'sen1


TEORÍA DE RANKINE

El DIAGRAMA DE EMPUJES es triangular:El empuje es nulo en superficieSu resultante se sitúa a H/3 desde la base del muroEs perpendicular al trasdós, por haber considerado que no existe rozamiento muro-terreno ( =0)

CASOS ESPECIALES:Existencia de una SOBRECARGA en la superficie del terrenoTERRENO HETEROGÉNEO formado por capas horizontalesPresencia del nivel freático en el trasdós

2v HK2

1EHKKe


TEORÍA DE RANKINECASOS ESPECIALES: PRESENCIA DE SOBRECARGA EN LA SUPERFICIE DEL TERRENO

Para sobrecargas uniformes infinitas (s) aplicadas desde la coronación del muroSi hay sobrecargas, se añade un término constante y el diagrama de empujes se hace trapezoidal por superposición:

HsKHK21EsHKKe 2

v


TEORÍA DE RANKINECASOS ESPECIALES: TERRENO HETEROGÉNEO COMPUESTO POR CAPAS HORIZONTALES

Los puntos de cambio de tipo de terreno, son puntos de discontinuidad en los que:

• La magnitud del empuje es diferente por encima y por debajo de dicho punto (cambian los coeficientes de empuje por tener diferentes )

• La línea envolvente de los empujes cambia de pendiente (cambian los pesos específicos, )

• Se considera un muro con altura H1 y se calcula el empuje• Luego se considera el muro de altura H2, considerando que la

capa superior es una sobrecarga

H1, 1, 1

H2, 2, 2


TEORÍA DE RANKINECASOS ESPECIALES: PRESENCIA DE NIVEL FREÁTICO EN EL TRASDÓS

Sobre el N.F. se considera el peso específico aparente del terrenoPor debajo del Nivel Freático se consideran por separado los efectos de empujes del terreno y del agua, y se suman:

• El terreno empuja perpendicular al trasdós, y se toma como peso específico el sumergido ’ ( ’= sat- w)

• El agua, actúa normal al muro, con Kw=1

22wwWW h21Eze

h1

N.F.

Ley de empuje debido al agua

h2z

ew

+

Empujes del terreno Empuje del agua


TEORÍA DE RANKINE GENERALIZADAPermite considerar el caso en que se tenga SUPERFICIE DEL TERRENO INCLINADA:

Si el terreno forma un ángulo con la horizontal, se modifican los coeficientes de empuje:

La resultante del empuje forma un ángulo con la horizontal

'coscoscos

'coscoscoscosK

22

22

ar

'coscoscos

'coscoscoscosK

22

22

pr

E


TEORÍA DE RANKINE EN SUELOS COHESIVOS

Es posible generalizar la Teoría Simplificada de Rankine para estudiar suelos con cohesión

Se recurre al TEOREMA DE LOS ESTADOS CORRESPONDIENTES DE CAQUOT:

“Si a un suelo con cohesión que está en una situación límite de rotura, simultáneamente le quitamos la cohesión y sumamos a todas las tensiones un término (c*cotg ), el suelo sigue estando en la misma situación límite de rotura” (y al estado correspondiente se le aplican las hipótesis de los suelos sin cohesión)

zv

h

’

c . cotg

c


EMPUJE ACTIVO EN SUELOS CON COHESIÓN:

zv

h

gcotcvrvc

gcotchrhc)gcotc(KgcotcK vrarhrvcahc

)2

45(tgsen1sen1

K 2ar )gcotc(

sen1sen1

gcotc vrhr

sen1sen2

sencos

cK1sen1sen1

gcotcsen1sen1

vrarvrhr

245tgc2K vrarhr arvrarhr Kc2K

’

c . cotg

c



EMPUJE ACTIVO EN SUELOS CON COHESIÓN:Luego, a una profundidad z:

Los empujes serán negativos hasta una profundidad z0, en que se hacen nulos; es lo que se conoce como “GRIETA DE TRACCIÓN”:

La cohesión reduce el empuje activo:

arararhr Kc2zKqK

ar

araro K

qKKc2z


zo“tracción”

empuje


Los componentes del empuje ACTIVO son:

arararhr Kc2zKqK

Efectos de las sobrecargas

Efectos del peso del terreno

Efectos de la cohesión

Empujetotal

= + +


zo“tracción”

empuje


EMPUJE PASIVO en suelos con cohesión:

En el empuje pasivo no se produce grieta de tracciónLa cohesión aumenta el empuje pasivo

prvrprhr Kc2K



Si existe NIVEL FREÁTICO en el trasdós, en suelos cohesivos es posible plantear situaciones de comprobación a CORTO, MEDIO Y LARGO PLAZO:

EMPUJE ACTIVO A CORTO PLAZO:• Se trabaja en presiones totales• Sobre el nivel freático, se emplea el peso específico aparente• Bajo el nivel freático:

– Arcilla saturada u = 0– Bajo el nivel freático sat kar = 1– cu = ½ qu

qc2z u

o


z’

N.F.

grieta de tracción

z0


EMPUJE EN SUELOS COHESIVOS CON NIVEL FREÁTICO:EMPUJE ACTIVO A LARGO PLAZO:

• Se trabaja en presiones efectivas• Por debajo del nivel freático:

• Haciendo ea = 0 se obtiene el puntodonde empieza la ley de empujes (z0)

• Además se considera el empuje hidrostáticoCuando la grieta de tracción está bajo el N.F. (z0>z’), se define un empuje a MEDIO PLAZO como envolvente de:

• Empuje del agua• Empuje del terreno a corto plazo, en presiones totales

En el caso del EMPUJE PASIVO, cuando existe Nivel Freático:• Se calcula a CORTO y LARGO plazo• No existe la situación a MEDIO plazo, al no existir grieta de

tracción

ararar'ha Kc2')'zz('zKqKe

z’

N.F.

grieta de tracción

z0



TEORÍA DE COULOMB (1.776)Hipótesis menos restrictivas que Rankine, considerando:

El posible rozamiento entre las tierras y el muro ( )Cualquier inclinación del trasdós del muro, supuesto planoCualquier forma de la superficie del terrenoCualquier tipo de sobrecarga, pero indefinidas en la dirección longitudinal del muro

El ángulo de rozamiento tierras-muro, f, depende de:• El material que constituye el muro• El ángulo de rozamiento del terreno ’ ( f ’)• Se obtiene de un ensayo similar al de corte directo

suelo

Material del muro

ff


TEORÍA DE COULOMB (1.776)Primero se verá para suelos SIN COHESIÓNAl moverse el muro desliza una cuña limitada por el trasdós y un plano que pasa por el pie:

Los esfuerzos que actúan sobre la cuña son:• El peso de la cuña, W• La reacción del terreno en el plano, F

– Se supone que su inclinación será ’• La reacción del muro E, igual y contraria al empuje, que estará

inclinada un ángulo con la normal al muroDel equilibrio de fuerzas se obtiene el empuje ELa inclinación real de F será < ’, para no sobrepasar la situación de rotura; por tanto el valor real de E será mayor o igual que el obtenido en el cálculo

Repitiendo con distintas cuñas, el máximo valor de E es el EMPUJE ACTIVO DE COULOMB


TEORÍA DE COULOMB (1.776)Método:

Conocemos W en magnitud y direcciónConocemos la dirección de E y la de F (ángulos y ’)Con el polígono de fuerzas, considerando equilibrio de fuerzas, se pueden obtener E y F

W

W

F

FE

EH

z

’

A

B

tgtg


TEORÍA DE COULOMB: MÉTODO ANALÍTICO

El EMPUJE ACTIVO DE COULOMB para terreno homogéneo, con trasdós plano y superficie plana exenta de sobrecarga se puede hallar matemáticamente:

El análisis dimensional nos permite hallar que:

El valor de K se puede hallar analíticamente:

El empuje activo para una profundidad z será:

• Estará situado a una distancia de la base igual a 1/3 de la altura• Tendrá una inclinación con la perpendicular al trasdós igual a

Derivando se obtiene que el empuje unitario tiene una distribución lineal con la profundidad:

2aa HK21E

2

a

)cos('sen)'(sen)cos(

'cossecK

2aa zK2

1E

zKzEe aa

Ea

z

H

Ea

ea


El empuje de Coulomb coincide con el de Rankine cuando:

= 0 (muro vertical)= (también si = 0)

Los empujes se pueden separar en suscomponentes horizontal y vertical:

Esta descomposición es útil para la comprobación del muro

La teoría de Coulomb sería aplicable a SUELOS CON COHESIÓN, añadiendo al polígono de fuerzas:

La adherencia entre el terreno y el muro en el trasdósLa cohesión en el plano de rotura

2ahah HK2

1E

2avav HK2

1E

)cos(KK aah

)(senKK aav

Eah

Eav Ea




EFECTO DE LAS SOBRECARGASPara sobrecargas de longitud indefinida que comiencen en el trasdós del muroSe considera un terreno equivalente, sin sobrecarga, con mayor peso específico ficticio, *, de valor:

El empuje unitario vale:

El empuje total vale:

2aaa zK

21

z)cos(

cosqKE

zK)cos(

cosqKe aaa

)cos(cos

zq2*

ql

z

C

B

A


EFECTO DEL NIVEL FREÁTICO EN EL TRASDÓS:Se tiene en cuenta como en la teoría de RankineAl ser en suelos sin cohesión no existe la situación de “corto plazo”Sobre el N.F. se considera el peso específico aparente del terrenoPor debajo del Nivel Freático:

• Se consideran por separado los empujes del terreno y del agua, y se suman

• Empuje del terreno:– Forma un ángulo con la perpendicular al trasdós ( +

con la horizontal)– Se toma como peso específico el sumergido ’ ( ’= sat- w)

• Empuje del agua:– Actúa normal al muro– Con Kw=1

22wwWW h21Eze

h1

N.F.

Ley de empuje debido al agua

h2z

ew



OTROS CASOS ESPECIALES: MUROS CON TRASDÓS QUEBRADO O TERRENO HETEROGÉNEO:

Los puntos de quiebro del trasdós de un muro, o los cambios de tipo de terreno, son puntos de discontinuidad en los que la magnitud y la dirección del empuje son diferentes por encima y por debajo de dichos puntosSe considera un muro con altura H1y se calcula el empuje.Luego se considera el muro de altura H2, considerando que la capa superior es una sobrecarga.

H1, 1, 1

H2, 2, 2

H1Ea1

H2

Ea2



MUROS EN “L”Se supone que una cuña del relleno queda unida al muro (ABF)En la cuña BAC se forma un estado activo de Rankine

El empuje total sobre DE se halla por la teoría generalizada de RankineEstará situado a 1/3 de la alturaCon un ángulo , igual al del terreno

La estabilidad del conjunto se comprueba incluyendo:El empuje total sobre DEEl peso de las tierras sobre AFLa parte proporcional de sobrecargas sobre BD

2arar HK

21

E

'coscoscos

'coscoscoscosK

22

22

ar

A

B

C

“cuña de suelo

rígida”

F

D

Ear

E

H

H/3


CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓNCoeficientes de empuje:

Expresiones de Coulomb (distinta notación, a) y añadiendo el término de cohesión de RankineEMPUJE ACTIVO:

EMPUJE PASIVO:

EMPUJE EN REPOSO:• Superficie horizontal:• Superficie inclinada: )isen1(KK ooi

actual

máxocRoco R)'sen1(K


CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓNRozamiento entre terreno y muro, :

Empujes debidos al agua:

MURO RUGOSO (Encofrado contra

el terreno)

MURO POCO RUGOSO (Encofrado

a doble cara)

MURO LISO (Con lodos

tixotrópicos)

EMPUJE ACTIVO 2/3 ’ 1/3 ’ = 0EMPUJE PASIVO 1/3 ’


CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓNEMPUJES DEBIDOS A SOBRECARGAS: Modelos simplificados


CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓNEMPUJES DEBIDOS A SOBRECARGAS: Modelos simplificados


TEMA 3: ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN RÍGIDAS


ÍNDICETIPOS DE ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN

TIPOS DE ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN RÍGIDAS

TIPO DE EMPUJES A CONSIDERAR

COMPROBACIONES A REALIZAR EN UN MURO

MÉTODO DE PREDIMENSIONADO DE HAIRSINE

OTROS CRITERIOS:MUROS EN LMUROS DE CONTRAFUERTESMUROS DE SÓTANO

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS:RELLENO DEL TRASDÓSDRENAJE DEL TRASDÓSCONSTRUCCIÓN


ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓNCuando el talud que se quiere dar a un terreno no se sostiene debidamente por sí mismo, hay que construir una “ESTRUCTURA DE CONTENCIÓN”:

Evita que el suelo se deforme excesivamenteSoporta los empujes del terreno

Según su COMPORTAMIENTO las estructuras de contención pueden clasificarse en:

Rígidas (muros): • Se ejecutan en el exterior del terreno• No cambian de forma bajo la acción de los empujes

Flexibles (pantallas, tablestacas, etc.):• Se ejecutan en el interior del terreno, previamente a la

excavación• Se deforman por los empujes (relativamente)• La deformación que se produce puede llegar a influir en la

distribución del empuje de las tierras


ESTRUCTURAS RÍGIDASLos MUROS son elementos de contención destinados a establecer y mantener una diferencia de niveles en el terreno con una pendiente superior a la que permitiría el mismo, transmitiendo a su base y resistiendo con deformaciones admisibles los empujes laterales

TRASDÓSINTRADÓS

ZAPATA o LOSA

ALZ

AD

O

TALÓN

PUNTERA

CONTRAFUERTECORONACIÓN (IMPOSTA)

GOTERÓN

TACÓN


ESTRUCTURAS RÍGIDASSegún su FUNCIÓN se clasifican en:

Muros de sostenimiento: Se construyen separados del terreno y después se rellena su trasdósMuros de contención: Se construyen para mantener taludes inestables por excavación o “desmonte”.Muros de revestimiento: Protegen un terreno de la erosión (atmosférica, escorrentía, …) o meteorización

REVESTIMIENTOSOSTENIMIENTO

RELLENO

CONTENCIÓN

VACIADO


ESTRUCTURAS RÍGIDASSegún el MATERIAL del que están construidos:

Piedra natural:• Piedra en seco• Mampostería (arrejuntada con mortero)

De ladrillo (o piezas prefabricadas)De hormigón:

• En masa (muros de gravedad)• Armado (muros aligerados)


ESTRUCTURAS RÍGIDASSegún su CONCEPTO ESTRUCTURAL se clasifican en:

De gravedad: El momento volcador del empuje es contrarrestado por el momento estabilizador del peso propio del muroAligerados: Su forma o disposición le permiten aprovechar también el peso de las tierras como estabilizador

• Muros en L: Trabajan como viga en voladizo• Muros con contrafuertes

Muros anclados en el terreno que sostienen y muros arriostrados

GRAVEDAD EN “L”(CON CONTRAFUERTES)

ANCLADOS


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS DE GRAVEDAD:

Es el muro más antiguoNo provocan tracciones de importancia en el materialLas acciones actuantes son:

• Peso propio (W)• Empujes (E)

– Del terreno ó el agua – De acciones exteriores

Para que el muro sea estable, la resultante (R) de ambos debe caer dentro de la base

Trasdós en talud Trasdós en desplome

EW

R


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS ALIGERADOS:

Se elimina material donde contribuye poco a la estabilidadEl peso de las tierras contribuye a la estabilidadSe aumenta la inercia sin incrementar el materialSoportan importantes tracciones, por lo que necesitan estar armadosLos contrafuertes en el intradós pueden ser antiestéticos o antifuncionalesLos contrafuertes en el trasdós trabajan a tracción

E

Wm

Wt


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS ANCLADOS POR BATACHES:

Para terrenos sin aguaSe excava progresivamente y se hormigonan paneles de 3*3 m, solapando entre sí las armadurasSe anclan una vez endurecido el hormigón:

• Se ejecuta un taladro entubado con una sonda• Se colocan armaduras• Se inyecta el extremo creando un “bulbo”• Se tesan las armaduras• Se rellena el taladro

BulboCuña Perforación


ESTRUCTURAS RÍGIDASMUROS ARRIOSTRADOS:

Los muros de sótano se arriostran con los forjados, con frecuencia antes de trasdosar el muroNo tienen problema de vuelco ni deslizamientoGeneralmente tienen forma de cajones cerradosEstán sometidos también a acciones de la estructura:

• Cargas procedentes de forjados• Cargas de los soportes o muros que nacen de su cúspide• Fuerzas de arriostramiento transversal


SUELO REFORZADOSUELO REFORZADO:

Consiste en reforzar un terraplén con un conjunto de• Placas que actúan de panel de muro o revestimiento (“piel”)• Bandas fijadas a las placas que se imbrican con el relleno

(“armaduras”); pueden ser metálicas, de fibra, textiles, etc.• Un relleno que contribuye a la estabilidad

La primera fue “TIERRA ARMADA” (patentada) compuesta por:• Placas de hormigón armado de unos 75 cm de altura• Eslingas metálicas de ancho 4-12 cm y espesor 2-4 mm

La resistencia se basa en el rozamiento terreno-bandaHay que evitar la corrosión y alteración de las bandasEl relleno debe ser de calidad para asegurarlo (< 15% finos)Las placas son prefabricadas y pueden tener formas diversasEl espesor es pequeño (salvo elementos decorativos)Trasmite muy pocas cargas en cimentación

Aunque por construirse en el exterior del terreno son muros, en realidad son estructuras FLEXIBLES, que se pueden deformar de modo importante


SUELO REFORZADO – “TIERRA ARMADA”

TERRAPLÉN COMPACTADO POR

TONGADAS

BANDAS O ESLINGAS

PLACAS O “ESCAMAS”

SUELO REFORZADO


SUELO REFORZADO – “TIERRA ARMADA”

SUELO REFORZADO


El proyecto de un muro es un proceso iterativo: Partiendo de su dimensionado, se comprueba si la seguridad es suficienteLas acciones principales a considerar son:

Peso propio del elemento de contenciónEmpuje y peso del terreno, considerando el nivel freáticoEmpujes del agua: Presión intersticial, subpresión o de filtraciónSobrecargas sobre la estructura o sobre el terreno del trasdósOtros: Sísmicos, expansividad, congelación, compactación, ...

Los movimientos del muro influyen en las construcciones o servicios de su entornoLos estados de empuje dependen del desplazamiento:

EMPUJE ACTIVO: El elemento de contención gira o se desplaza hacia el exterior hasta alcanzar unas condiciones de empuje mínimoEMPUJE PASIVO: El elemento de contención es comprimido contra el terreno hasta alcanzar unas condiciones de máximo empujeEMPUJE EN REPOSO: El elemento de contención no sufre desplazamiento ni giro

COMPROBACIÓN DE UN MURO


TIPOS DE EMPUJE A CONSIDERAR EMPUJE ACTIVO

Muros de contención con cimentación superficial sobre suelos (padm< 500 kPa)Muros en “L” cimentados sobre pilotes verticales resistentes por la punta

Empuje en general superior al activo (media entre reposo y activo)

Muros en “L” sobre roca; si el muro es suficientemente flexible puede utilizarse el empuje activoCualquier muro sobre pilotes flotantes o cualquier muro, excepto en “L”, sobre pilotes resistentes por la punta

EMPUJE EN REPOSOMuros de gravedad sobre roca o sobre pilotes inclinados y verticalesMuros de sótano


SE BASA EN EL MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITES:ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS:

• Estabilidad al deslizamiento• Estabilidad al vuelco:

– Paso de la resultante por el núcleo central de la base• Hundimiento de la cimentación (tema 8)• Cálculo estructural• Estabilidad general del conjunto (no lo veremos este curso)

ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO:• Movimientos o deformaciones que puedan causar el colapso o

afectar a la apariencia o al uso eficiente de la estructura, de las estructuras cercanas o de los servicios próximos

• Infiltración de agua no admisible a través o por debajo del elemento de contención

• Afección a la situación del agua freática en el entorno con repercusión sobre edificios próximos o sobre la propia obra



ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO: No es preciso comprobar si los empujes horizontalesson < 10% de la carga vertical totalEfectos desestabilizadores: Empujes horizontalesEfectos estabilizadores. Reacción del terreno:

• Adhesión (c*= 0,5.c’K 0,05 MPa)• Rozamiento ( *=2/3 ’):

No debe considerarse el efecto favorable del Ep

Coeficiente de seguridad, R (Fd):

Se mejora:Disponiendo material granular en la baseAumentando el empuje pasivo Ep con zarpas o inclinando la base

5,1RREE

tg)REW(BcF

BtgcFFF

3w1wph

*2wv

*

des

**

des

estdR

**r tgc

e1

Ea

Eh

Ev

wRw1Ep

Rw3

Rw2O

e3

ew2

B

e2 ew3 ew1



ESTABILIDAD AL VUELCO:En relación a un punto de giro OEfectos estabilizadores:

• Peso: W• Empuje pasivo pie (en muros,

no debe considerarse) • Presión agua intradós: Rw3

Efectos desestabilizadores:• Empuje trasdós: Ea… (Eh(+) y Ev(-))• Empuje agua trasdós: Rw1

• Subpresiones: Rw2

Coeficiente de seguridad, (Fv):

0,29,08,1

MM

MM

8,19,01:CTE

0,2eReRBEeE

eReEeWMMF

v

eR

vdst,E

estb,Edst,Estb,ER

2w2w1w1wv1h

3w3w2p3

v

ev

e1

Ea

Eh

Ev

wRw1Ep

Rw3

Rw2O

e3

ew2

B

e2 ew3 ew1



PASO DE LA RESULTANTE POR EL NÚCLEO CENTRAL:La resultante de las acciones provoca unas presiones y deformaciones en el terrenoSe aplica la “Teoría del COEFICIENTE DE BALASTO”:

• La presión en la base de un elemento es proporcional a su asiento:

p = ks * s• Es una ley lineal

Si la cimentación es rígida, la ley de presiones será también lineal:

Bd3B

R2p

2V

mín d3B2B

R2p

2V

máx

B2

ppR mínmáx

V

mínmáx2

mín2

V ppB61

pB21

dR

v

ve

RMM

dRV

pmáxpmín

B RH

d

pmáxpmín

B

R

RH

RV



COMPROBACIÓN DE UN MURO PASO DE LA RESULTANTEPOR EL NÚCLEO CENTRAL:

B/3 < d < 2·B/3 pmín > 0

Distribucióntrapezoidal:

d = B/3 pmín = 0Distribución triangular: pmax=2 ·Rv/B

d < B/3 pmín < 0Distribución triangular parcial“Tracciones en la base”

)Bd3(BR2p 2

vmin

d3R2

p Vmáx

)d3B2(BR2p 2

vmax

d

RV

pmáxpmín

B/3 B/3 B/3

B/3

RV

pmáx pmín=0

d

RV

pmáx“pmín<0”

v

ve

RMM

d


COMPROBACIÓN DE UN MUROSEGURIDAD FRENTE AL HUNDIMIENTO:

Se considera una zapata ficticia de anchura eficaz B’, de manera que la carga quede centrada en la misma:

‹ ›

Se tiene que cumplir que:

3qq

q'B

R hund

R

hundadm

v

d

Rv

pmáx pmín

B/2 B/2

e d

Rv

B/2 B/2

e

B’=2·d=B-2·e


COMPROBACIÓN DE UN MUROSEGURIDAD FRENTE A LA ROTURA ESTRUCTURAL:

El muro como, elemento estructural, debe ser lo suficientemente resistente como para soportar las tensiones a las que va a estarsometido con las garantías necesarias (Instrucción de Hormigón Estructural EHE)

Deformación excesiva del

alzado

Rotura por fisuración excesiva

Rotura por fallo

de solape

Rotura por esfuerzo cortante

Rotura por esfuerzo rasante


COMPROBACIÓN DE UN MUROESTABILIDAD GENERAL:

El conjunto del muro incluida su cimentación, puede fallar mediante un mecanismo de rotura aún más profundo que éstos, o que no siendo tan profundo pudiera cortarlos, que habrá que comprobar


CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓNCOEFICIENTES DE SEGURIDAD PARCIALES:


CRITERIOS DE PREDIMENSIONADO (Jiménez Salas et al, 1981)

20 cm

>2,5 m

H/3 – 2H/3

<H/2 si H>10 m

H/12 30 cm

0,25 H B 0,4 H

(Si existen sobrecargas importantes: aumentar B

hasta un 50%)

H

H/8-H/6

c=0,20-0,30 m

>1:

50

0,25-1,25 m

0,5-1,25 m

H/16 – H/12

H/32-H/8

0,4 - 0,9 H

0,08-0,4 H

>0,60 m

(CTE mín. 0,8m)

Espesor de solera y alzado: H/12

Ancho de solera:0,4 - 0,7 H


MÉTODO DE HAIRSINEMétodo para predimensionamiento:

Para muros en “L”Desprecia la diferencia entre el peso propio del muro y del terrenoSe obtienen “m” y “b” a partir de:

• “Fv”: coeficiente de seguridad al vuelco (>2)• “j”, función de la presión admisible:

•

Que depende de:“Fd”, al deslizamiento (>1,5)“K”: coeficiente de empuje

= tg base

base : rozamiento tierras-muro

base = * = 2/3 ’ base

KFd

Hpj adm

mbH

bH

H

K H

padm=j H


MÉTODO DE HAIRSINEProcedimiento:

Cada variable define una curva un gráfico m – b/ kLa zona común sobre dichas curvas es la válidaSi se elige un punto en esa zona se asegura:

• La estabilidad al vuelco, a través de Fv

• La estabilidad al deslizamiento, mediante

• La carga admisible del cimiento, por j Mientras más bajo esté el punto, más económico es el muro (menores dimensiones)Es posible imponer distribución triangular de presiones en el terreno (resultante en núcleo central)

El manejo se simplifica mediante un nomograma en el que se recogen familias de curvas para distintos valores de cada variable

KFd


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1a

(b/K

')1/2

2v

m13

F

K

b

2m3m41j

1

K

b

m12KF

Kb d

ZONA DE VALIDEZ


MÉTODO DE HAIRSINE(Jiménez Salas et al., 1981)


MÉTODO DE HAIRSINECONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE HAIRSINE (I): Paramayor precisión es posible construir las tres curvas de cada problema:

Estabilidad al vuelco:

Presiones en la base, según la distribución sea:

• Trapezoidal:

• Triangular:

• Triangular parcial:

2v

m13

F

K

b

2m3m41j

1

K

b

2m3m2j

1

K

b

2m314j3

1

K

b


MÉTODO DE HAIRSINECONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE HAIRSINE (II):

Estabilidad al deslizamiento:Fricción = tg base, con base = * = 2/3 ’ base:Adhesión a = c*= 0,5 c

• En terreno sin cohesión, sólo FRICCIÓN:

• En terrenos sin fricción, sólo ADHESIÓN:

• En terrenos con ADHESIÓN Y FRICCIÓN:

m12KF

Kb d

Ha2KF

Kb d

Ham12

KFKb d


MÉTODO DE HAIRSINEPermite incorporar SOBRECARGA UNIFORME (q):

Método 1: Válido solamente si la sobrecarga es pequeña, tal que H0=q/ <0,2 H. Se adopta una altura ficticia H*=H+H0

Método 2: Válido para cualquier sobrecarga; se emplean los siguientes parámetros:

• En terrenos con ADHESIÓN Y FRICCIÓN:

• En terrenos sólo con ADHESIÓN:

Hq1

Hq31

KK'

Hq31

Hq21

FF d'd Hq

pj a'

''d KF 'KFHq

aa

'd

''' am12

1

K

b

Hq

1Ha2KF

K

b ''d

'


MÉTODO DE HAIRSINEEJEMPLO:

Datos: H = 3 m= 18 kN/m3

K = 1/3= 0,60

Fd > 1,5Fv > 2,0Pmáx = 27 kpa

Variables del método:

Resultados: Base: b = b*h = 0,67 * 3,0 = 2,0 mPuntera: m*b*h = 0,48 * 2,0 = 0,96 m

84,0315,1

6,0

KFd

5,031827

Hpj adm 67,03117,1b17,1

K

b

48,0m

TEMA 3 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010 TEMA 3 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

MUROS EN LLas tres ménsulas, en alzado, puntera y talón, se calcularán como empotradas en su arranque:

El alzado se comprueba con el empuje de RankineLa puntera y talón bajo las cargas gravitatorias, la reacción del terreno y la subpresión del agua

Se suelen mantener las armaduras de las secciones críticas (salvo muros muy altos)


MUROS DE CONTRAFUERTESLas placas verticales entre contrafuertes o las horizontales en el talón, pueden calcularse como placas empotradas en tres lados

Los contrafuertes en trasdós se dimensionan para las tracciones correspondientes a los empujes sobre la placa vertical

La puntera se calcula como un voladizo


MUROS DE SÓTANOEstán arriostrados por los forjados y trabajan como placas apoyadas o empotradas

Se suelen calcular para el empuje en reposo

Hay que añadir como acciones la solicitación de los forjados intermedios y la compresión de los soportes

Una parte importante de los empujes horizontales se equilibran contra los forjados y solera

La reacción de los forjados sobre el muro, es una variable más en los cálculos

Suele hacerse la hipótesis simplificada de considerar un reparto uniforme de presiones bajo el cimiento

El cálculo estructural para dos o más niveles de forjado se puede asimilar a una viga continua

Se suele considerar el muro indefinido en dirección longitudinal


MUROS DE SÓTANOAcciones:

Empujes:Sobrecarga: E1 = Koáq·H a ½ HPeso tierras: E2 = ½ Ko· ·H2 a 1/3 H

Cargas verticales:Axil de pilares, NPesos: Nm, Nt, Nc

Empujes de forjados o suelo: T1, T2

Ecuaciones (Incógnitas Rv, T1, T2):Equilibrio de fuerzas:

Rv = NT1+ T2 = E1+ E2

Momentos sobre centro de la base:T1 · H = Ei ·ei+ Nj · ejLos ej son positivos si están a la derecha de la vertical que pasa por Rv

Comprobaciones:Hundimiento: Rv / B < padmDeslizamiento: T2 < (Rv · tg +c* ·B) / Fd

qN

T1

E1

E2

Nm

Nc

H

B

Nt

T2

Rv


RELLENO DEL TRASDÓSLa selección del relleno en trasdós:

Debe considerar la influencia del agua, hinchamiento ...Dentro de los muros que han experimentado este movimiento hay tres veces más con relleno arcilloso que con relleno arenosoLos rellenos arcillosos provocan movimientos progresivos del muro:

• Originan empujes, principalmente por las variaciones estacionales de volumen con el grado de humedad

• En la estación seca retraen y aparecen grietas de tracción por las que penetra el agua en la estación húmeda

• El aumento de volumen va provocandoun movimiento progresivo hacia delante

Lo ideal son suelos GP, GW, SP, SW (< 5% limos o arcillas)Bastaría con una cuña en el trasdós (60º inclinación)Los rellenos deben ser compactados, pero no en exceso

RELLENOGRANULAR

60º


DRENAJE DEL TRASDÓSLos empujes pueden triplicarse si no hay un sistema de drenaje o éste no funciona bien: Un33% de los accidentes ocurridos en muros rígidos han sido por ausencia o fallo del sistema de drenajeEl control de las presiones del agua en el trasdós se consigue con sistemas adecuados de drenaje:

Drenes verticales (material granular, hormigón poroso)en toda la altura del muro o parte de ellaLáminas drenantesDrenes inclinadosTapices drenantes horizontales a uno o varios nivelesDrenes horizontales a través del rellenoDrenes longitudinales en la base o talud del rellenoMechinales en contacto directo con el relleno

Consideraciones generales:El mejor sistema consiste en una cuña de relleno

granular filtranteTodos los sistemas deben tener fácil evacuacióndel agua, evitando su acumulación en el trasdós


DRENAJE DEL TRASDÓSESQUEMAS DE DRENAJE:

40-50 litros de grava gruesa

1,5 m

Cuneta para evacuaciónde vertidos

Materialgranular de

relleno

Material arcilloso de impermeabilización

Cuneta

60º

Dren de grava de

20-30 cm o panel de hormigónsin finos


CONSTRUCCIÓNSegún del Documento Básico HS Salubridad del Código Técnico de la Edificación, el grado de impermeabilidad exigible a los muros en contacto depende de:

La presencia de agua: Según la posición relativa de la cara del suelo en contacto con el terreno y el nivel freático:

• Baja: La cara inferior del suelo está sobre el nivel freático• Media: La cara inferior del suelo está a la misma profundidad

que el nivel freático o a menos de dos metros por debajo• Alta: La cara inferior del suelo está 2 m bajo el nivel freático

El coeficiente de permeabilidad del terrenoEl grado de impermeabilidad será entonces:


CONSTRUCCIÓNSoluciones constructivas para muros (CTE DB S):


CONSTRUCCIÓNC) CONSTITUCIÓN DEL MURO:

C1 Hormigón hidrófugoC2 Hormigón de consistencia fluidaC3 Muro de fábrica: Bloques/ladrillos hidrofugados y mortero hidrófugo

I) IMPERMEABILIZACIÓN:I1 Lámina impermeabilizante, o aplicación de productoslíquidos (polímeros acrílicos, caucho acrílico, resinas o poliéster):

• En los muros pantalla basta con los lodos bentoníticos• Con lámina interior, debe ser adherida• Si es exterior, capa antipunzonamiento en caras no adheridas• Con lámina drenante, no precisa antipunzonamiento exterior• Con aplicaciones líquidas colocar una capa protectora exterior

(geotextil o mortero reforzado), salvo que haya capa drenanteI2 Pintura impermeabilizanteI3 Muros de fábrica: Recubrir interiormente con revestimiento hidrófugo (mortero hidrófugo, cartón-yeso sin yeso higroscópico...)


CONSTRUCCIÓND) DRENAJE Y EVACUACIÓN:

D1 Capa drenante y capa filtrante entre el muro y el terreno:• La capa drenante puede ser una lámina, grava, bloques de

arcilla porosos, etc.• Si es una lámina, debe cerrarse el remate superior de la lámina

D2 Pozo drenante de al menos 0,70 m de diámetro cada 50 m como máximo, con capa filtrante y dos bombas de achique para evacuaciónD3 Tubo drenante en el arranque del muro conectado a un sistema de evacuaciónD4 Canaletas de recogida de agua en la cámara del muro conectadas a una red de evacuaciónD5 Red de evacuación del agua de lluvia en la cubierta y del terreno, conectada a sistema de evacuación

V) VENTILACIÓN DE LA CÁMARA:V1 Aberturas de ventilación en el arranque y la coronación de la hoja interior y ventilarse el local al que se abren dichas aberturas


CONSTRUCCIÓNLa excavación del cimiento debe efectuarse con cuidado para no alterar las características geotécnicas del suelo

Las excavaciones provisionales o definitivas deben hacerse de modo que se eviten movimientos en las tierras, especialmente en el caso de muros por bataches

En el caso de suelos permeables que requieran agotamiento del agua para realizar las excavaciones, éste se mantendrá durante toda la duración de los trabajos

El agotamiento debe realizarse de tal forma que no comprometa la estabilidad de los taludes o de las obras vecinas

Las juntas de hormigonado y los procesos de hormigonado, vibrado y curado se efectuarán con los criterios definidos en la Instrucción EHE


TEMA 4: ACONDICIONAMIENTO DEL

TERRENO


ÍNDICE

EXCAVACIONES

RELLENOS

DRENAJE

MÉTODOS DE DRENAJELANZAS DE DRENAJEPOZOS DE ALIVIOPOZOS PROFUNDOSOTROS MÉTODOS

RIESGOS DEL DRENAJE


INTRODUCCIÓN

ACONDICIONAMIENTO DEL TERRENO (Apartado7, CTE DB SE-C):

Son operaciones de excavación o relleno controladonecesarias para acomodar la topografía inicial del terreno a la requerida en el proyectoIncluye el control del agua freática para evitar su interferencia

En muchas obras de Arquitectura y Urbanismo, el suelo tiene que ser excavado por debajo del nivel freático, presentándose la necesidad de eliminar, o reducir al mínimo, la filtración del agua hacia la excavación:

La ELIMINACIÓN puede lograrse con pantallas de hormigón (permanentes), tablestacas (provisionales) o tratamientos especiales del terreno (inyecciones o congelación)En este tema vamos a tratar el CONTROL de las filtraciones mediante el empleo de sistemas de drenaje


EXCAVACIONES

EXCAVACIÓN:Vaciado o desmonte del terreno limitado lateralmente por un talud, provisional o permanente, sin que en el periodo, transitorio o indefinido de servicio, se contemple ningún tipo de contención mecánica añadidaEn el proyecto, hay que considerar los siguientes riesgos:

• Estabilidad o reptación superficial de suelos cohesivos en los taludes

• Problemas de inestabilidad global de suelos sin cohesión o roca fracturada

• Erosión por acción de lluvia, viento y ciclos de hielo y deshielo

• Incremento de la humedad natural del terreno (lluvia, inundación, ...), con posible disminución de su resistencia

• Problemas de desecación en terrenos expansivos


EXCAVACIONESLa realización de una excavación debe asegurar que las actividades constructivas previstas en el entorno de la misma puedan llevarse a cabo sin llegar a las condiciones de los estados límite último ni de servicioSi el talud proyectado es permanente, estas mismas garantías se extenderán al periodo de vida útil de la obra que se realiceLos taludes expuestos a erosión potencial deben protegersedebidamente para garantizar la permanencia de su adecuado nivel de seguridadSerá preceptivo disponer un adecuado sistema de protección de escorrentías superficiales que pudieran alcanzar al talud y de drenaje interno que evite la acumulación de agua en trasdós del taludEs importante considerar los procesos constructivos previstosporque pueden ser más críticos que las condiciones definitivasEn las soluciones de estabilización de taludes en suelos se deben combinar geometría y drenaje de trasdós del talud


EXCAVACIONESESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS (Taludes en suelos): Se deben analizar todas las configuraciones potenciales de inestabilidad que sean relevantes

En ausencia de construcciones afectadas se adoptarán:

R = 1,5 para situaciones persistentes y transitorias;

R = 1,1 para situaciones extraordinarias.

F = F = M = 1En el cálculo de los estados límite últimos hay que considerar:

• La estratificación del terreno• La presencia y orientación de posibles discontinuidades

mecánicas• Las fuerzas de filtración y distribución de presiones intersticiales• La posibles forma de inestabilidad a corto y largo plazo• Los parámetros mecánicos de resistencia asociados al problema• El método de análisis adoptado• La geometría global del problema


EXCAVACIONESESTADOS LÍMITE DE SERVICIO: Se debe justificar que no se afecte a estructuras, viales o servicios en el entorno debido a:

Subsidencias provocadas por las siguientes causas:• Cambio en el agua subterránea y en sus presiones intersticiales• Fluencia lenta del terreno en condiciones drenadas• Pérdidas de suelo incoherente o materiales solubles en profundidad

Levantamiento del fondo de excavación por descarga (tema 5)La posible aparición de estados límite de servicio debe evitarse:

Limitando la movilización de resistencia a cortante del terrenoObservando los movimientos que se producen mediante instrumentación

El control de movimientos es preceptivo si:• No es posible descartar la presencia de E.L.S. en base al cálculo• Las hipótesis de cálculo no se basan en datos fiables

El seguimiento debe planificarse de modo que permita establecer:• Los movimientos verticales y horizontales• La evolución de presiones intersticiales para deducir las efectivas• Las posibles superficies de deslizamiento para su análisis• La velocidad de movimientos, para alertar de la necesidad de

medidas


RELLENOSEn un relleno controlado se debe emplear un material idóneo que, tras el proceso de compactación, proporcione la resistencia, rigidez y permeabilidad necesarias:

Pueden emplearse suelos granulares e incluso algunos subproductos industriales (escorias y cenizas pulverizadas)Para emplear suelos cohesivos es preciso un estudio especial y las condiciones de colocación y compactación precisas

La aptitud de un suelo para relleno se valora según su:Granulometría y plasticidadResistencia a la trituración y desgaste (Ensayo de desgaste Los Ángeles)Compactabilidad (Ensayo próctor)PermeabilidadContenido en materia orgánica y productos solubles; agresividad químicaInestabilidad de volumen: Expansividad y colapsoSusceptibilidad a bajas temperaturas y helada; resistencia a la intemperieCambios de propiedades durante su manipulación o cementación posterior

Algunos materiales no aptos, pueden mejorarse por métodos diversos (estabilización con cal ó cemento; corrección de granulometría; capas drenantes intercaladas, etc.)No se utilizarán los suelos expansivos, solubles, susceptibles a la helada o que contengan hielo, nieve o turba


MATERIALES PARA RELLENOS

Los suelos que usualmente se emplean en rellenos se clasifican según el artículo 330 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes del Ministerio de Fomento, conocido como PG-3

Definición se suelos:Materiales granulares con predominio de la fracción fina (vs todo-uno y pedraplenes)Cumplen alguna de las siguientes condiciones:

• Pasa por el tamiz 20 une mayor que el 70 %• Pasa por el tamiz 0,080 une mayor que el 35 %

Materiales naturales, sin elaboración ni adicionesPreferentemente localesProcedentes de excavación en:

• La propia obra• Préstamos o yacimientos



Clasificación (Art. 330 PG-3):Según sus características intrínsecas de:

• Granulometría (UNE 103101)• Plasticidad:

– Límite líquido (UNE 103103)– Índice de plasticidad (UNE 103104)

• Composición química:– Materia orgánica (UNE 103204)– Contenido en sales solubles, incluyendo yesos (NLT-114)

• Estabilidad volumétrica ante cambios de humedad:– Colapso (NLT-254)– Hinchamiento libre (UNE 103601)



Clasificación (Art. 330 PG-3):Cinco categorías, en orden de calidad decreciente:

• Suelo seleccionado• Suelo adecuado• Suelo tolerable• Suelo marginal• Suelo inadecuado

Se clasifican según sus propiedades, por eliminación desde la máxima categoríaSon suelos inadecuados:

• Los excluidos de las otras categorías• Los que contengan turbas y materiales orgánicos

perecederos• Los que resulten insalubres en su manipulación


MATERIALES PARA RELLENOSCLASIFICACIÓN DE SUELOS SEGÚN EL ARTÍCULO 330 DEL PG-3

< 3 %< 5%HINCHAMIENTO

Asiento < 1 %COLAPSO

LL < 40Si LL>30 IP>4

LL < 65Si LL>40

IP>0,73(LL-20)

Si LL>90 IP<0,73(LL-20)PLASTICIDAD

Pasa:#2<80%

#0,40<75%#0,08<25%

LL < 30IP < 10

Pasa #0,08<35%

Pasa #0,40 <15%

ALTER

NA

TIVA

MEN

TE

Pasa # 2<80 %

Dmáx < 100 mmDmáx<100 mm

GRANULOMETRÍA

< 0,2 %< 0,2 %Yeso < 5 %

Otras sales<1%SALES SOLUBLES

< 0,2 %< 1 %< 2 %< 5 %MAT. ORGÁNICA

SELECCIONADOADECUADOTOLERABLEMARGINALTIPO DE SUELO


DRENAJEAl excavar pueden surgir interferencias con el agua:

Acumulación de escorrentías: Erosión superficial o internaNecesidad de construir bajo el nivel freático: Subpresiones y empujesNecesidad de rebajar la cota definitiva del nivel freático

El agua y sus oscilaciones en el suelo provocan:Presiones, subpresiones y empujesReducción de la resistencia (“ablandamiento”)Modificación de las presiones efectivas

La eliminación del agua puede originar:AsientosFlujos y gradientes

GESTIÓN DEL AGUA (Apartado 7.4, CTE DB SE-C):Control del agua freática (agotamientos o rebajamientos) y el análisis de las posibles inestabilidades de las estructuras enterradas en el terreno por procesos de “rotura hidráulica”(subpresión, sifonamiento, erosión interna o tubificación)


DRENAJEROTURAS HIDRÁULICAS (Apartado 7.4, DB SE-C):

Tipos:• Subpresión en una estructura enterrada o un estrato del

subsuelo; puede provocar levantamiento por flotación• Levantamiento del fondo de una excavación del terreno por

fuerzas excesivas de filtración (sifonamiento)• Erosión interna ó arrastre de partículas del suelo en el terreno,

en el contacto de dos estratos o contacto terreno-estructura• Tubificación: Por erosión remontante desde una superficie

libre se crea un “túnel” en el terreno, que genera flujos de aguaPara evitar estos fenómenos se deben adoptar las medidas necesarias para reducir los gradientes de filtración del agua:

• Incrementar la longitud del camino de filtración del agua • Filtros de protección que impidan la pérdida al exterior de los

finos del terreno• Pozos de alivio para reducir subpresiones en el seno del terreno


MÉTODOS DE DRENAJESe puede excavar bajo el nivel freático:

Construyendo recintos estancos hasta niveles impermeables:• Pantallas permanentes• Pantallas provisionales (tablestacados)

Modificando las propiedades del terreno y el agua:• Inyecciones en el terreno• Congelación

Controlando y evacuando las filtraciones mediante DRENAJE:– Durante la excavación, AGOTAMIENTO– Antes de la excavación, REBAJAMIENTO

• Según la permeabilidad la remoción del agua se hará:– Por gravedad– Por aplicación de vacío– Por electroósmosis


MÉTODOS DE DRENAJEEl DISEÑO requiere un ESTUDIO HIDROGELÓGICO previo:

Perfil geológico-geotécnico del terrenoDimensiones de la excavación: Penetración bajo el nivel freáticoConocimiento de los niveles freáticos en el interior del terreno y su evoluciónParámetros de resistencia y compresibilidad del terrenoPermeabilidad del terreno

En obras temporales o poco importantes se recurre a soluciones empíricas contrastadas

La permeabilidad del terreno:Suele variar mucho entre puntos distintosSe estudia “in situ”:

• Ensayos en sondeos: Lefranc – Lugeon• Ensayos de bombeo


AGOTAMIENTO DE LA EXCAVACIÓNSe conducen las filtraciones a zanjas someras o “sumideros”, desde los que se extrae el aguaInconvenientes:

El flujo del agua al pie provoca ablandamiento y derrumbe del taludSe provoca erosión superficial (cárcavas) en los taludesEn arenas o limos gruesos se produce erosión interna (tubificación)Se puede inducir el sifonamiento del fondo de la excavación

Sirve en obras pequeñas o rebajes limitados en suelos cementados y arenas gruesas limpiasEn gravas, la cantidad de agua a bombear puede ser muy grande

NIVEL FREÁTICO ORIGINAL

BOMBA

Flujo de agua


REBAJAMIENTO DEL NIVEL FREÁTICOSe construye previo a la excavación un sistema de pozos

La excavación se hace en seco:Permite aprovechar las presiones capilares para obtener taludes más empinados (“aumenta la cohesión”)Se reducen los empujes sobre los sistemas de contención

Sistemas:Lanzas de drenaje o “well points”Pozos profundosElectroósmosis

NIVEL FREÁTICO ORIGINAL

BOMBEO


LANZAS DE DRENAJE


LANZAS DE DRENAJELANZAS DE DRENAJE ó "WELL POINTS“:

Idóneo para arenas limpias y gravas arenosas (k 10-6 m/s)Se hincan a lo largo de una banqueta una serie de tubos de 50-75 mm de diámetro, con perforaciones y filtro, que puede ser un geotextil, en su último metroSe conectan entre sí en su parte superior, y a una o más bombasSeparadas de 1 a 3 metros, se colocan mediante lanza de aguaLa profundidad de las puntas depende del tipo de terreno, pero no supera en mucho al máximo rebajamiento del N.F.

Funcionamiento:El agua entra por creación de un vacío parcial (aspiración)El agua es expulsada por bombeo a través de una tubería maestraSe disponen dos bombas: Una bombea de la tubería colectora y la otra crea el vacío que extrae el aire del sistemaEl control del aire es muy importante para evitar la cavitación

Es adecuado para rebajes de hasta 6 metros: Existe una limitación teórica de 10 m, para evitar que el agua entre en tracción (1 atmósfera)Se puede lograr más elevación con varios niveles de bombeo


LANZAS DE DRENAJEESQUEMA DE INSTALACIÓN EN ESCALONES:

COLECTOR

LANZA


POZOS PROFUNDOSSirven para suelos con permeabilidad alta y grandes rebajamientos (k>10-5 m/s)El pozo es un sondeo entubado (perforado en su parte inferior), en cuyo fondo se coloca una bomba sumergidaNo tiene limitación teórica de altura: En la parte impelente se le da al agua la presión necesaria para elevarla hasta la superficieDiámetros > 70 cmInconvenientes:

Coste de los pozos y de las bombasNF

BOMBA ASPIRANTE-IMPELENTE

MATERIAL GRANULAR

H


OTROS MÉTODOSINYECCIONES:

Se introduce en el terreno un material o mezcla (lechada de cemento, bentonita) a una presión y caudal determinados formando unas columnas que rellenan huecos y/o desplazan el terrenoSe consigue un refuerzo del terreno: Aumenta su estabilidad (taludes) y disminuye su deformabilidadSe reducen los huecos

ELECTROÓSMOSIS:Para arcillas y limos donde no pueden utilizarse otros sistemasUna corriente induce el movimiento del agua en el suelo por unos electrodos clavados: El agua se mueve del ánodo hacia el cátodo

CONGELACIÓN:Las tuberías de congelación son instaladas verticalmente en el suelo y un líquido congelante circula por las mismas (por ej., salmuera)Se obtiene un muro de tierra congelada, con un espesor suficiente para sellar el agua y aguantar la pared de excavaciónUna planta de refrigeración suministra la salmuera fría o nitrógeno líquido que circula en las tuberías congeladoras


ELECCIÓN DEL SISTEMASEGÚN EL TIPO DE TERRENO:

Gravas AGOTAMIENTO• Permeabilidad alta , caudal muy importante• Fuerte rebajamiento del nivel freático• Poco erosionables

Arenas o arenas limosas REBAJAMIENTOArcillas y limos REBAJAMIENTO por vacío o electroósmosis

• Baja permeabilidad, caudal bajo y formación lenta del “cono”

PERMEABILIDAD (m/s) PROCEDIMIENTO

k < 10-9 Excavación en seco

10-9 < k < 10-7 Excavación “casi seca” con pequeñas filtraciones. Agotamiento periódico desde zanjas en la excavación

10-7 < k < 10-4 Rebajamiento (por vacío o electroósmosis)

10-4 < k < 10-2 Campo normal de rebajamiento de la capa freática

10-2 < k < 10 Agotamiento desde la propia excavación, limitado a un máximo de unos 3 m bajo el nivel freático

k > 10 El agotamiento no es prácticamente posible porque los caudales son excesivos: Se precisan otros métodos constructivos


RIESGOS DEL DRENAJEOTROS RIESGOS de los sistemas de drenaje:

ACCIDENTALES: Prever la parada de las bombas, con equipos de reserva y fuentes de alimentación autónomasINHERENTES: En el EXTERIOR de la excavación ocurre que:

• Al bajar el N.F. aumentan las presiones efectivas y se inducen asientos

• Las cimentaciones de madera quedan al aire (pudrición aerobia)• Se pueden generar arrastres y erosión interna (colapsos)• En pilotes se inducen asientos por “rozamiento negativo”• Se interfiere con explotaciones cercanas del agua freática• Se puede provocar pérdidas de suelo en el trasdós o en la base• El agua achicada debe eliminarse sin afectar al entorno

Si existe el riesgo de generar una subsidencia en el entorno, puede realizarse una recarga a cierta distancia

Hay que prever un seguimiento de control de efectividad y movimientos

TEMA 5 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2009/2010

TEMA 5: PANTALLAS DE HORMIGÓN ARMADO PARA

SÓTANOS: CONSTRUCCIÓN Y TIPOLOGÍA


ÍNDICEEXCAVACIONES

TIPOS DE PANTALLA

PANTALLAS CONTINUAS DE HORMIGÓN

PANTALLAS HORMIGONADAS IN SITU

LODO BENTONÍTICO

TIPOS DE SUSTENTACIÓN DE PANTALLAS CONTINUAS

COMPROBACIÓN DE PANTALLAS:


INTRODUCCIÓNA lo largo del siglo XX ha proliferado la construcción de sótanos en edificaciones y obras subterráneas, debido a:

Nuevos condicionantes urbanísticos:• Limitación en disponibilidad de suelo urbano• Limitación de alturas de edificaciones• Necesidad creciente de plazas de aparcamientos

La construcción de sótanos está condicionada por:• Proximidad de edificaciones en medianería• Infraestructuras subterráneas (pasos inferiores, metro, galerías

de servicios, ...)• Necesidad de agilizar plazos en obras urbanas

Presencia del nivel freático

Todo ello ha favorecido el desarrollo de las pantallas


INTRODUCCIÓNLa técnica de construcción de pantallas tiene un desarrollo histórico muy reciente:

1.888 – FORT BENTON (EE.UU.): Se descubre la BENTONITA: Arcilla de muy alta plasticidad, cuyo componente principal es la montmorillonita1.901 – Se emplean una suspensión de lodos bentoníticos para estabilizar las paredes de las perforaciones petrolíferas1.950 – Se realiza la primera pantalla en EE.UU. para impermeabilización de una presa, y surgen las primeras patentes1.962 – Se construye la primera pantalla en España para el sótano del Banco Pastor (Cimentaciones Especiales – RODIO)1.963 – Se construye la segunda pantalla en España para el sótano del Monte de Piedad en Sevilla

La construcción de pantallas ha proliferado en Sevilla, por tener:

Nivel freático altoSuelos aluvialesSustrato impermeable a una profundidad razonable.


MÉTODOS DE EJECUCIÓN DE SÓTANOSEl muro de sostenimiento puede construirse:

DESPUÉS de la excavación (muros):• Necesita taludes estables• Precisa relleno posterior• Ocupa mayor superficie• Puede influir en edificios cercanos

DURANTE la excavación (entibaciones):• Sólo válido para un nivel freático profundo• Requiere trabajar en el interior• “Muro Berlinés”:

– Se realizan perforaciones– Se hincan vigas doble T– Se avanza en la excavación– Se colocan placas o tablones– A veces se colocan anclajes

ANTES de la excavación (pantallas y tablestacados)


PANTALLASElementos de contención de tierras para realizar excavaciones verticales en los casos en que:

El terreno, los edificios u otras estructuras cimentadas en las inmediaciones de la excavación, no serían estables sin sujeción en condiciones últimas o de servicioHay que eliminar filtraciones de agua a través de los taludes y eliminar o reducir las posibles filtraciones a través del fondo, o asegurar la estabilidad de éste frente a fenómenos de sifonamiento

Se construyen desde la superficie del terreno antes de la excavación y trabajan fundamentalmente a flexiónSi la excavación se produce por debajo del nivel freático tienen que ser impermeablesCumplen una labor estructural de contención de tierras, y de impermeabilización del vasoNo puede considerarse un elemento totalmente terminado ni impermeable, dadas las características del material y del proceso de ejecución Estructuralmente su fase crítica es la de la ejecución


PANTALLASSe diferencian de los muros y las entibaciones:

Se ejecutan previamente a la excavaciónLa profundidad bajo el fondo de excavación no es pequeña en relación con la altura libre de la pantallaEl empotramiento de la pantalla en el terreno por debajo del fondo de la excavación es, con frecuencia, indispensable para su estabilidad, constituyendo en ocasiones el único elemento que la proporcionaEl peso propio de la pantalla es un factor de influencia muy escasaSon estructuras flexibles y resisten los empujes del suelo deformándoseLas pantallas pueden requerir sujeción en uno o varios puntos de su altura libre, además del empotramiento (por estabilidad, resistencia estructural o para impedir excesivas deformaciones en el trasdós)

Tipos de pantallas:Continuas de hormigón: hormigonadas in situ y prefabricadasDe pilotesDe tablestacas


PANTALLAS DE TABLESTACASSon alineaciones de paneles prefabricados o “tablestacas” enlazadas, que se hincan en el terreno a golpes o por vibración para constituir pantallas resistentes o de impermeabilización, que sirvan de protección para la ejecución de otras obras

Da mejor resultado que el muro berlinés bajo el nivel freáticoSon muy flexibles: pueden producir asientos en edificios cercanosPor la hinca pueden producir vibraciones y compactacionesPueden ser contenciones provisionales o definitivas (puertos deportivos)Con terrenos duros o en presencia de bolos es muy difícil hincarlas.

Tipos de tablestacas:Tablestacas de acero (las más frecuentes)Tablestacas de hormigón armado o pretensado

Las de acero, a causa de su menor sección se hincan más fácilmente y originan menores vibraciones en el terreno


PANTALLAS DE PILOTESNormalmente mediante pilotes perforados, aunque enocasiones con pilotes prefabricados hincados para estabilización de taludesPresenta problemas de discontinuidadSeparación entre pilotes:

La separación entre pilotes es función del terreno, de los esfuerzos y de la capacidad de flexión de los pilotesSi no hay necesidad de estanqueidad, los pilotes pueden disponerse con una separación inferior al doble del diámetroEn la estabilidad del terreno entre pilotes separados se puede tener en cuenta el efecto de arco

Cuando la excavación ha de permanecer abierta mucho tiempo, y si el terreno es meteorizable, debe protegerse la banda de terreno entre pilotes por medio de hormigón proyectado o mejor con bovedillas de ladrilloCuando hay que excavar bajo el nivel freático seránecesario que los pilotes sean secantes


PANTALLAS CONTÍNUASSe construyen por excavación de una zanja por paños o módulos (“bataches”):

Espesor entre 450 y 1.500 mmAncho que oscila entre el valor mínimo de la apertura de la cuchara de excavación y un máximo que depende del tipo de terreno, de las deformaciones admisibles u otras condiciones de la obra (2,5–4,5m)

Un panel suele tener sólo una jaula de armadura a lo largo de su longitudEn arcillas firmes o duras, las zanjas pueden ser estables sin necesitar ningún elemento de contención, debido a la cohesión de la arcilla y al efecto tridimensional de sus proporcionesEn suelos sin cohesión (arenas y limos) o en arcillas menos firmes, las zanjas no suelen ser estables por sí mismasLa estabilidad sin entibación se consigue llenando cada módulo de zanja con lodos tixotrópicos (suspensiones en agua de arcillas tixotrópicas muy plásticas, como bentonitas, sepiolitas...)


ELECCIÓN DEL TIPO DE PANTALLAHay que conocer los datos de las obras o edificaciones en las proximidades de los límites de la excavación (tipo de estructura, cimentación, distancia, estado, etc.)Se debe prestar una atención especial a las medianerías: En este caso la flexibilidad de la pantalla es muy importante

Hay que conocer la posición del nivel freático, los niveles piezométricos en los estratos atravesados y su evolución en el tiempo

Hay que estudiar la estabilidad general de la pantalla o de la excavación, por deslizamiento a través de una superficie profundaSi se excava bajo el nivel freático:

Hay que estudiar la red de filtración, el riesgo de sifonamientoHay que seleccionar un tipo de pantalla que garantice un adecuado grado de estanqueidad y realizar la estimación de caudales

Hay que asegurarse de que no existen en el terreno obstáculos(alcantarillas, colectores, antiguas cimentaciones,...)Si se trabaja sin lodos se producen vibraciones por la caída libre de la cuchara de excavación en pantallas continuas


ARRIOSTRAMIENTO DE LAS PANTALLASLas estructuras de edificación son más sensibles a los movimientos horizontales que a los asientos diferencialesPara minimizarlos, hay que elegir pantallas relativamente rígidas y no dejar grandes alturas en voladizo ( 3,5 m):

Se debe disponer elementos de sujeción poco deformablesSuele ser necesario disponer sujeción para excavaciones de más de 3-4 m

La necesidad de disponer elementos de sujeción depende de:La estabilidad general de la excavaciónLa estabilidad propia de la pantallaLa presencia de otras edificaciones en sus proximidades

Los procedimientos de sujeción más usuales son:Apuntalamiento al fondo de la excavación y banquetas.Acodalamiento contra otras pantallas de la propia excavaciónAcodalamiento contra los forjados del propio edificio (método ascendente-descendente)Anclajes al terreno


SUJECIÓN DE LAS PANTALLAS


CONSTRUCCIÓNFASES DE UNA PANTALLA HORMIGONADA IN SITU:

Ejecución de los muretes guíaConstrucción por pasos sucesivos:

• Perforación de un “batache”:– Cuchara bivalva– Hidro-fresa en obras importantes.

• Colocación de tubos-junta• Colocación de armaduras• Hormigonado• Retirada de tubos-junta

Unión de todos los bataches por una viga de coronación


CONSTRUCCIÓNSISTEMAS DE AVANCE:

Por bataches alternos:

Por bataches continuos:

1º 3º2º

1º 1º2º


CONSTRUCCIÓNMURETES GUÍA:

Sirven para garantizar el alineamiento de la pantalla, guiar los útiles de excavación, y servir de soporte para las jaulas de armadura y elementos prefabricados mientras endurece el hormigónDeben resistir los esfuerzos de extracción de los tubos-juntaHabitualmente son de hormigón armado y construidos “in situ”Su profundidad, normalmente está comprendida entre 0,5 y 1,5 mDeben permitir que se respeten las tolerancias de los panelesEs recomendable apuntalarlos hasta la excavación del panel correspondienteLa distancia entre muretes guía debe ser entre 20 y 50 mm superior al espesor de la pantallaEn pantallas poligonales o de forma irregular, podrá ser necesario aumentar la distancia entre muretes guíaLa parte superior de los muretes debe ser horizontal, y estar a la misma cota a cada lado de la zanjaEs necesario que la cara superior del murete guía se encuentre, al menos, 1,5 m sobre el nivel freático


CONSTRUCCIÓNHORMIGONADO (I):

Se emplea un hormigón con una docilidad suficiente para garantizar una continuidad en el hormigonado, y una adecuada compactación por gravedadAntes de hormigonar se limpia la perforación y se colocan las armadurasEl hormigonado se realiza a través de un tubo de hormigonado o “trompa”:

• La trompa es imprescindible en presencia de aguas o lodos.• Se coloca por tramos de varias longitudes acoplados• Tiene un embudo en su parte superior y elementos de sujeción• Diámetro interior mayor de 6 veces tamaño máximo árido y de

150 mm• Diámetro exterior no mayor de 0,50 veces la anchura de la

pantalla y 0,80 veces la anchura interior de la jaula de armaduras


CONSTRUCCIÓNHORMIGONADO (II):

Para empezar el hormigonado, la trompa debe colocarse sobre el fondo de la perforación, y después se levantará de 10 a 20 cmSe coloca al inicio del homigonado un tapón o “pelota” en el tubo Tremie, que evite el lavado del hormigón en la primera colocación.Durante el hormigonado, la trompa debe estar siempre inmerso en el hormigón por lo menos 3 mEs conveniente que se hormigone a un ritmo superior a 25 m3/hEl hormigonado debe realizarse sin interrupciónEl hormigonado se prolongará hasta que supere la cota superior prevista en proyecto en una magnitud suficiente para que al demolerse el exceso, constituido por un hormigón de mala calidad, el hormigón al nivel de la viga de coronación o de la cara inferior del encepado sea de la calidad adecuada


LODOS BENTONÍTICOSEl lodo de perforación es una suspensión coloidal de arcilla montmorillonítica sódica en agua

El contenido de bentonita es del 5 al 10% del aguaCAKE: Es una membrana práticamente impermeable que se forma en las paredes de la excavación, por filtraciónSobre la membrana se aplica la presión hidrostática del lodo

Características del lodo:


EXCAVACIÓN PANEL DE INICIO COLOCACIÓN DE TUBO-JUNTA

EJECUCIÓNColocación del tubo

Tubo colocado


EJECUCIÓN

COLOCACIÓN DE ARMADURA HORMIGONADO


EJECUCIÓN

EXTRACCIÓN DE TUBOS-JUNTA EXCAVACIÓN PANEL DE AVANCE


EJECUCIÓN

EXCAVACIÓN DE TACÓN COLOCACIÓN DE TUBOS-JUNTA


EJECUCIÓN

COLOCACIÓN DE ARMADURA, HORMIGONADO EXCAVACIÓN PANELY EXTRACCIÓN DE TUBOS JUNTA DE CIERRE


EJECUCIÓN

ARMADO Y HORMIGONADO FINALIZACIÓN PANEL DE CIERRE


MÉTODO ASCENDENTE-DESCENDENTEEs un método constructivo en el que los arriostramientos son los definitivos:

Se construye la pantalla perimetral y se perforan los pilotes.Se colocan pilares los metálicos (también se pueden hincar tras el hormigonado)Se hormigonan los pilotesSe rellena con grava el hueco, para evitar el pandeo.Se hormigona el 1er forjado contra el terrenoSe excava bajo el forjadoSe repite el proceso por plantasAl llegar a la losa de fondo se pueden colocar cartelas, soldadas al pilar metálico y atornilladas a la losa

Permite ir construyendolas plantas sobre rasantesimultáneamenmente


COMPROBACIÓN DE PANTALLASPara comprobar la estabilidad en cada fase deben verificarse al menos los siguientes estados límite (CTE SE-C Apartado 6.3.2.2):

Estabilidad globalEstabilidad del fondo de la excavaciónEstabilidad propia de la pantallaEstabilidad de los elementos de sujeciónEstabilidad en las edificaciones próximasEstabilidad de las zanjas, en el caso de pantallas de hormigón armado


ESTABILIDAD GLOBAL


ESTABILIDAD DEL FONDOSUELOS COHESIVOS:

En suelos cohesivos puede producirse la rotura del fondo de la excavación debida al descenso de la tensión vertical por efecto de la excavación.Debe comprobarse la seguridad respecto a un levantamiento del fondo de la excavación por agotamiento de la resistencia a esfuerzo cortante por efecto de las presiones verticales del terreno


ESTABILIDAD DEL FONDOSUELOS COHESIVOS:

La comprobación de la estabilidad se efectúa considerando el terreno situado sobre el nivel final de excavación como una sobrecarga y despreciando su resistencia así como la resistencia de la pantalla bajo el fondo de la excavaciónSe evalúa mediante la siguiente expresión:

: Tensión vertical total a nivel del fondo de la excavación

cu: Resistencia al corte sin drenaje del terreno bajo el fondo de la excavación

Ncb: Factor de capacidad de carga que se define en función de la anchura B, la longitud, L, y la profundidad, H, de la excavación

M

ucb

cN


ESTABILIDAD DEL FONDOSi se excava bajo el nivel freático, se establece una corriente de filtración de agua a través del terreno que aflorará en el fondo de la excavación o a los elementos de drenajeEn este caso, es necesario comprobar que no se va a producir sifonamiento ni arrastre del material

NIVEL DEL TERRENO

NIVEL FREÁTICO

PANTALLA VACIADO PARA CONSTRUCCIÓN

SIFONAMIENTO

Se anula la resistencia del

terreno bajo el fondo de la excavación y el

empuje pasivo estabilizador

LEVANTAMIENTODEL FONDO


ESTABILIDAD DEL FONDOLa seguridad frente al SIFONAMIENTO se evalúa comparando el gradiente real en el terreno, ir, con el gradiente crítico del terreno, icr, y exigiendo un coeficiente, M = 2:

Donde:

Esto supone:

1iw

satcr

2/i/ii crMcrr

B

h

HD1

'i

wcr

D2hir

0,1h

D0,1Dh5,0i2

ii

rr

crM


ESTABILIDAD DE LA PANTALLADeben considerarse los siguientes estados límite:

Rotura por rotación o traslación del elemento de contenciónRotura por hundimiento (como una cimentación)

Hay que comprobar que los empujes del terreno sobre su trasdós pueden ser equilibrados por los empujes sobre la parte empotrada bajo el fondo de la excavación en su intradós, y por las reacciones de los elementos de sujeción (puntales, codales, forjados, otras pantallas, u otros) y los anclajes

Debe comprobarse estabilidad en las condiciones de corto y largo plazo

Es importante analizar las diversas fases constructivas, que suelen ser más críticas que la final

Los cálculos de estabilidad de la pantalla pueden efectuarse por los siguientes métodos:

Métodos de equilibrio límiteMétodos basados en modelos del tipo WinklerElementos finitos - diferencias finitas


ESTABILIDAD DE LA PANTALLAMétodos de equilibrio límite:

Suponen que la pantalla es una estructura rígida y que se produce la rotura del terreno en la base de la mismaLos empujes del terreno y del agua sobre la pantalla se determinan según los criterios definidos para estructuras de contenciónEmpuje activo:

• Los empujes del terreno no deben ser inferiores, en ningún caso, a 0,25· ´v, siendo ´v la presión efectiva vertical en cada capa del terreno

• No se afectan de ningún coeficiente de seguridadEmpuje pasivo:

• En el intradós sólo se considera una fracción del empuje pasivo (los corrimientos necesarios para su movilización son demasiado grandes):

E = 0,6 Situación persistente o transitoria

E = 0,8 Situación extraordinaria• En este coeficiente va implícito el coeficiente de seguridad de la

estabilidad de la pantallaSe plantean las siguientes alternativas para el estudio de la pantalla:

• Pantalla en voladizo;• Pantalla con un punto de sujeción• Pantalla con más de un punto de sujeción


ESTIMACIÓN DEL COEFICIENTE DE BALASTOPor otra parte, el coeficiente de balasto horizontal podemos estimarlo mediante la expresión:

3 2S

Hb*l

E*33,1k

lEk S

H

bE

k SH

l es la longitud de la parte cargada. Longitud enterrada por el lado pasivo b el ancho de la misma. Frente de pantalla con una ligera reducción por las esquinas Es el módulo de elasticidad del terreno

Para suelos granulares, algunos autores proponen la expresión:

3/1

3/4S

H )I*E(E

*1,2k

aE*6,3k S

H

3/1S )E/I*E(*7,1a

En este caso a sería la parte realmente solicitada pasivamente por la pantalla, que puede estimarse en 1,5 veces la longitud elástica.


ESTABILIDAD DE LA PANTALLAPANTALLA EN VOLADIZO:

Se plantea un diagrama de deformada y empujes según:

El equilibrio de fuerzas y momentos permite calcular R y toEn general, es suficiente establecer la nulidad de momentos en PPara determinar el empotramiento total de la pantalla se incrementa en un 20% el empotramiento obtenido (to + 0,2 to )Este exceso de profundidad por debajo del punto de momento nulo es suficiente para que pueda desarrollarse la fuerza R necesariapara mantener el equilibrio


ESTABILIDAD DE LA PANTALLAPANTALLA CON UN PUNTO DE SUJECIÓN:

MÉTODO DE “BASE LIBRE”:

El planteamiento del equilibrio de fuerzas y momentos permite determinar las dos únicas incógnitas, la fuerza de sujeción F y la profundidad de empotramiento to


ESTABILIDAD DE LA PANTALLAPANTALLA CON UN PUNTO DE SUJECIÓN:

MÉTODO DE “BASE EMPOTRADA”:

En este caso hay 3 incógnitas (to, F y R), con solo 2 ecuaciones estáticas es de dos (equilibrio de resultante y de momentos)Para resolver el problema se hace uso de una hipótesis que consiste en suponer que el momento momento flector de la pantalla en el punto O es nuloEsta hipótesis proporciona la tercera ecuación necesaria.


ESTABILIDAD EDIFICIOS PRÓXIMOS6.3.2.2.8 Estabilidad de las edificaciones próximas

Si existen edificios inmediatos a los límites de una excavación hecha al abrigo de una pantalla, o en sus proximidades, debe considerarse su existencia como una sobrecarga en los cálculosde los empujes, véase 6.2.7. Asimismo, debe comprobarse para cada una de las fases de ejecución tanto de la pantalla en si como de la excavación, que los movimientos horizontales y verticales a que se vea sometido el terreno en el trasdós, sobre el que se encuentren cimentados los edificios medianeros o próximos, no son lo suficientemente importantes como para hacer peligrar la estabilidad de los mismos o ser causa de agrietamientos, inclinaciones, etc. En el apartado 6.3.1.2 se definen los criterios en cuanto a los movimientos y deformaciones horizontales y verticales máximos admisibles de edificios o servicios próximos a elementos de contención y en el apartado 6.3.2.3, los procedimientos para evaluar estos movimientos.


DEFORMACIONES MUROS Y PANTALLAS

DESPLAZAMIENTO PAVIMENTOS GRIETAS ENEDIFICIOS

MODERNOS

GRIETAS ENEDIFICIOSANTIGUOS

LATERAL MÁXIMO 3 cm 7,5 cm* 2,4 cmLATERAL EN SUPERFICIE 5 cm 6 cm * 1,5 cmMÁXIMO ASIENTO SUPERFICIAL 2,5 cm 8 cm * 1,2 cm

TIPO DE ESTRUCTURA ASIENTO LÍMITE (cm)FÁBRICA DE LADRILLO, ACERO, HORMIGÓN 5BLOQUES DE HORMIGÓN O CERÁMICOS 2PIEDRA MONUMENTAL 2,5

UMBRAL DE DESPLAZAMIENTOS DE UN MURO PARA QUE SE PRODUZCA DAÑO EN EDIFICIOS VECINOS Y PAVIMENTOS

PRÓXIMOS AL TRASDOS* Daños severos en edificios con cimentación superficial

ASIENTO LÍMITE EN EL TRASDOS DE UN MURO (D’APPOLONIA, 1971)


ESTABILIDAD DE LOS ANCLAJESEl análisis de la estabilidad del anclaje comprenderá, al menos, los siguientes aspectos (CTE SE-C Apartado 9.3.2):

Comprobación de la tensión admisibleComprobación al deslizamiento del tirante dentro del bulbo de anclajeComprobación de la seguridad frente al arrancamiento del bulbo

Pantalla

Tensiónadmisible del

tirante

Seguridad frente a arrancamiento de

bulbo

Deslizamiento del tirante dentro del bulbo de anclaje


Para cada situación de dimensionado se verificaráque:

Ed RdRd = valor de cálculo de la resistenciaEd = E·PN

• Ed =efecto de las acciones• PN = la mayor de:

– La carga estricta para la estabilidad del conjunto, con coeficiente de seguridad 0,6 para empuje pasivo

E=1,5 anclajes permanentes

E=1,2 anclajes transitorios– La carga sin mayorar en estudios límites de servicio

ESTABILIDAD DE LOS ANCLAJES


TENSIÓN ADMISIBLE DEL TIRANTERd = min (AT·fpk / M1; AT·fyk / M2)

• AT= sección de anclaje• fpk = límite de rotura del acero = 1.000-1.860 Mpa (N/mm2)• fyk = límite elástico del acero= 700-1.400 Mpa (N/mm2)• M1= 1,25 anclajes provisionales y 1,30 definitivos• M2= 1,10 anclajes provisionales y 1,15 definitivos

DESLIZAMIENTO DENTRO DEL BULBO DEL TIRANTERd = Lb·PT· lim/ R

• Lb=longitud de cálculo del bulbo• PT =perímetro nominal del tirante• lim =adherencia límite entre el tirante y la lechada (MPa)• lim = 6,9 fck /22,5• R= 1,2• fck = resistencia característica lechada en Mpa (N/mm2)

Un exceso de longitud de bulbo por encima de 14 m se minorarácon coeficiente de 0,7 (rotura progresiva)



SEGURIDAD AL ARRANCAMIENTORd = · DN · Lb·aadm

• Dn= Diámetro nominal del bulbo• aadm =adherencia frente al arrancamiento (MPa)• aadm = (c’m+ ’ · tg ’ ) / R

• R= 1,35• c’m= cohesión efectiva minorada por coeficiente 1,2 en Mpa

(N/mm2)• ’ = componente normal al bulbo de la presión efectiva vertical

ejercida por el terreno• aadm se puede estimar también a partir de correlaciones

empíricas que tengan en cuenta el procedimiento de inyección



TEMA 6: CIMENTACIONES DIRECTAS: ZAPATA AISLADA, ZAPATA CORRIDA Y POZOS


INTRODUCCIÓNEl cimiento es la parte de una estructura que transmite las cargas al terreno:

Con objeto de repartir las cargas, su superficie de apoyo suele ser mayor que la sección de los pilares o murosSu proyecto es un procedimiento de aproximaciones sucesivas:

• Se comienza por tantear una cimentación superficial, partiendo de una tabla de presiones admisibles, y

• Si no es admisible se cambian las dimensiones o se pasa a otro tipo de cimentación

Generalmente son de hormigón en masa o armadoLos cálculos son aproximados y muchas veces empíricos: Hay que ser prudentes y coherentes al aplicarlosSon estructuras enterradas que quedan ocultas, por lo que hay que tener en cuenta:

La agresividad del agua y el terrenoLa fisuración, que puede provocar deterioro


PROFUNDIDAD DE APOYOEn la determinación de la profundidad de apoyo de la cimentación intervienen varios factores:

La relación entre las cargas y la presión de hundimientoProfundidad suficiente, en especial para situar la cimentación por debajo de la zona sometida a variaciones de humedad, que es lo que se conoce con el nombre de "capa activa“Cercanía de estructuras colindantes,límites de propiedad, futuras construcciones, etc. a los que se pueda influir durante o tras la construcciónPresencia de un nivel freático quegenere necesidad de drenaje, impermeabilización, subpresiones, etc.Profundidad de heladaOtros defectos subterráneos, como cavidades, minas o instalaciones urbanasPresencia de restos arqueológicos


TIPOS DE CIMENTACIONESCIMENTACIONES DIRECTAS:

Una cimentación directa es aquella que reparte las cargas de la estructura sobre un plano de apoyo horizontalSe emplean para trasmitir al terreno las cargas de uno o varios pilares de la estructura, de los muros de carga o de contención de tierrasEn principio el coste mínimo corresponde a la cimentación por zapatas, a continuación vienen las losas y la cimentación más cara suele ser la profundaNo obstante a veces se realizan losas en vez de zapatas por razones constructivas

CIMENTACIONES PROFUNDAS:Una cimentación es profunda si su extremo inferior, en el terreno, está a una profundidad superior a 8 veces su diámetro oancho


CIMENTACIONES DIRECTASTIPOS DE CIMENTACIONES DIRECTAS:

En función del número y tipo de los elementos que le transmiten la carga, se configuran los siguientes tipos:

Cuando la superficie de las zapatas supera el 50% de la planta del edificio suele ser conveniente diseñar una losa de cimentación


CIMENTACIONES DIRECTASTIPOS DE CIMENTACIONES DIRECTAS:


VIGA DE CIMENTACIÓN (ZAPATA CORRIDA)ZAPATA AISLADA

ZAPATA COMBINADA

CONJUNTO DE ZAPATAS CENTRAL-

ESQUINA-MEDIANERA


LOSA DE CIMENTACIÓN

EMPARRILLADO


ZAPATAS AISLADASCuando el terreno es competente, se pueda cimentar con una presión media-alta y se esperen asientos pequeños o moderados, la cimentación normal de los pilares de un edificio estará basada en zapatas individuales o aisladas

Las zapatas son unos ensanchamientos de la estructura en su contacto con el terreno para repartir las cargas sobre ésteSuelen ser de planta cuadrada, por su facilidad constructiva y por la sencillez de funcionamientoPueden tener otras formas (rectangulares) cuando:

• Existen momentos flectores en una dirección• Los pilares son de sección rectangular• Se apoyan dos pilares contiguos en una junta de dilatación• Casos de difícil geometría que no permiten simetría (medianera)

Las zapatas de medianería suelen ser rectangulares y las de esquina de planta cuadrada


ZAPATAS AISLADASLas zapatas aisladas se pueden unir mediante vigas para:

Evitar desplazamientos lateralesRealizar el atado prescrito en la NCSE si ac > 0,16 gResistir momentos o redistribuir cargas y presiones sobre el terreno

En las vigas de atado hay que tener en cuenta:No se deberían hormigonar contra el terreno para que no estén sometidas a esfuerzos indeseadosNo apoyar directamente en terrenos expansivos o colapsables


PREDIMENSIONAMIENTO DE ZAPATASValores orientativos de presión admisible para predimensionamiento (Código Técnico de la Edificación):


ZAPATAS COMBINADAS Y CORRIDASCuando el dimensionado de los cimientos da lugar a zapatas aisladas muy cercanas, incluso solapadas, se recurre a la unión de varias zapatas en una sola:

ZAPATA COMBINADA cuando recoge dos o más pilaresZAPATA CORRIDA cuando recoge tres o más pilares alineados

Esto ocurre:En terrenos de baja resistenciaPara evitar movimientos o asientos diferenciales entre varios pilaresSi en la base de pilar se producen momentos flectores importantes, ya que el conjunto puede servir para centrar la carga

La forma habitual en planta de las zapatas combinadas es la rectangular

Pueden tener canto variable o constante

Un caso particular de zapata corrida es la empleada para cimentar muros


POZOS DE CIMENTACIÓNSe realizan pozos de cimentación cuando:

El nivel de terreno resistente está algo profundo (3 a 4 metros)Se quiere contar con una sobrecarga para aumentar la resistenciaSe quiere alejar el plano de apoyo de la superficie (expansividad)

Los pozos más habituales en edificación son de dos tipos:Relleno de la excavación desde la cota de apoyo con hormigón pobre, situando la zapata encima: Si el suelo es expansivo puedeser necesario unir el hormigón pobre con la zapata, mediante armadurasBajar la cota de zapata, elevando a continuación un plinto de gran rigidez con el fin de evitar problemas de pandeo

Al comprobarlos hay que incluir su peso propio


COMPROBACIONESLas comprobaciones para verificar una cimentación superficial se basan los siguientes estados límite ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS

HundimientoDeslizamientoVuelcoEstabilidad globalCapacidad estructural del cimiento

ESTADOS LÍMITE DE SERVICIOLas tensiones transmitidas por las cimentaciones dan lugar a deformaciones del terreno que se traducen en asientos, desplazamientos horizontales y giros de la estructuraSe debe verificar que:

• Los movimientos son admisibles para el edificio a construir• Los movimientos inducidos no afectan a los edificios colindantes

Las limitaciones de movimiento dependen del tipo de edificio


COMPROBACIONESESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS:


COMPROBACIONESESTADOS LÍMITE DE SERVICIO:


COMPROBACIONESESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS

HUNDIMIENTO: El cociente entre la presión de hundimiento y la presión actuante sobre el terreno no debe ser inferior al coeficiente de seguridad prescritoDESLIZAMIENTO: El cociente entre la resistencia al corte en el contacto terreno zapata y la carga horizontal actuante no debe ser inferior al coeficiente de seguridad prescritoVUELCO: Se produce en cimentaciones poco cargadas con pequeño ancho equivalente cuando el movimiento predominante sea el giro

• Debe comprobarse el coeficiente de seguridad al vuelco• En general no se considera la colaboración del empuje pasivo

ESTABILIDAD GLOBAL: Cuando se forma una superficie de rotura continua que engloba una parte o toda la cimentación

• Típico en cimientos próximos a la coronación de taludes, o en medias laderas de estabilidad natural precaria

CAPACIDAD ESTRUCTURAL: Cuando los efectos de las acciones en los elementos estructurales superan su capacidad resistente


COMPORTAMIENTO ESTRUCTURALRIGIDEZ:

La distribución de tensiones bajo una zapata corrida depende de la rigidez de la zapata respecto al suelo:

• En general, si las zapatas son rígidas respecto del terreno y la reacción se supone uniforme.

• Se consideran estructuralmente rígidas las zapatas cuyo vuelo v, en la dirección principal de mayor vuelo, sea menor o igual que dos veces el canto h (v 2h)

• Las zapatas se consideran flexibles en caso contrario (v>2h)


TEMA 7: ZAPATAS MEDIANERAS Y DE ESQUINA


INTRODUCCIÓNCuando se disponen pilares junto a lindes de propiedad aparece la necesidad de las “zapatas de medianería”cuya carga está concentrada prácticamente en el borde

Formas de resolver la excentricidad de una zapata:Dimensionarla con carga excéntrica (a) o uniforme (b), transmitiendo una tracción al forjado superiorDimensionarla unida mediante tirantes a las próximas (c, d), de manera que equilibre la excentricidadPor medio de una viga centradora (e), compensando la excentricidad con zapatas cercanasDimensionar una zapata retranqueada de la fachada con una viga en voladizo para recibir el pilar (f, g)

El sistema de viga centradora es el de mayor interés:No transmite momentos al pilar (casos a y b)No requiere cantos importantes de zapata (como ocurre con los tirantes)


SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS

Casos a) y b):

Zapata con carga excéntrica

que trasmite tracción al

forjado

Casos c) y d):

Zapata unida a otra adyacente mediante un

tirante

Caso e):

Zapata unida a otra adyacente mediante

viga centradoraCasos f) y g):

Zapataretranqueada


ZAPATAS CON VIGA CENTRADORASe enlaza la zapata medianera con otra interior mediante una “viga centradora”, normalmente de sección constante

Dada la gran rigidez del conjunto zapata-viga centradora frente a los pilares, no se consideran momentos adicionales en ellos

El peso de las zapatas es neutralizado por un peso igual y contrario de la cimentación, por lo que no se considera

Se dimensiona considerando como acciones las cargas permanentes y variables:

a B’

B

A

A

Q1

R1

A

L

B

==

Q2

R2

C

==

D

e

O


ZAPATAS CON VIGA CENTRADORAPara resolver el problema:

Q1 y Q2 son las acciones que bajan de los pilares (Q1 es excéntrica)R1 y R2 son las reacciones del terreno, supuestas ya centradas en la base de las zapatas (incógnitas)Predimensionamos el ancho de la zapata medianera a partir de la presión admisible:

Se plantean las ecuaciones de equilibrio:• Equilibrio de fuerzas:• Equilibrio de momentos (respecto al punto O):

Se obtienen las reacciones:

El resto de dimensiones se obtiene de las reacciones:

2121 QQRReLQLR 11

Le

QQR 111 Le

QQR 122

adm

1

pQ

B

adm

2

adm

1

pR

ABp

R'B


ZAPATAS CON VIGA CENTRADORADistribución de esfuerzos:

El esfuerzo cortante entre E y F es constante:

El momento flector entre E y F sigue una ley lineal, con su máximo en E:

11FE RQQQ

e2B

Q2B

RM 11E

+

Esquema de la ley de esfuerzos cortantes

+

Esquema de la ley de momentos flectores

Q1

R1

A

L

B

==

Q2

R2

C

==

D

e

O

E F


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERA

VIGA 1-3

VIG

A 1

-2

VIGA 2-4

VIG

A 3

-4

Q1

R1

Q2R2

Q3

R3

Q4

R4

D13

L13

D24

L24

e24

e13

e12

L12

D12

e34

L34

D34

s

s

s

x13

x34

x24

x12

s


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERAPara resolverlo se aplican las condiciones de equilibrio de fuerzas y momentos en las “mitades” del conjunto:

VIGA 1-3

VIG

A 1

-2

VIGA 2-4

VIG

A 3

-4

Q1

R1

Q2R2

Q3

R3

Q4

R4

D13

L13

D24

L24e24

e13

e12

L12

D12

e34

L34

D34

s

s

s

x13

x34

x24

x12

s

A A’

B’

B

Cortante en viga 3-4: T34




+

+

Esfuerzos cortantes

Momentos flectores


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERAREACCIONES DEL TERRENO:

Corte A-A’ Momentos respecto a 3-4 (Parte superior):

Corte B-B’ Momentos respecto a 2-4 (Parte izquierda):

Corte A-B Equilibrio vertical:

Sustituyendo (1) y (2) en (3):

1DL

RQT0LRDTQ13

13111213113121

2DL

RQT0LRDTQ12

12111312112131

)3(0TTRQ 131211

0QRDL

QRDL

RQ 1112

1211

13

1311

1DL

DL

QR

12

12

13

13

11


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERAREACCIONES DEL TERRENO:

Momentos respecto a 3-4:

Momentos respecto a 2-4:

Equilibrio vertical:

0LRLRDQQ 2421311321

32143214 RRRQQQQR

24

13121

24

132 L

LRQQ

LD

R

34

12131

34

123 L

LRQQ

LD

R


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERA

ESFUERZOS CORTANTES EN LAS VIGAS CENTRADORAS:Viga 1-2: Ya obtenido en la deducción de R1

Viga 1-3: Ya obtenido en la deducción de R1

Viga 2-4: Imponiendo equilibrio vertical en el corte A-B’

Viga 3-4: Imponiendo equilibrio vertical en el corte B-A’

13

131112 D

LRQT

12

121113 D

LRQT

212224241222 QTRT0TTRQ

313334341333 QTRT0TTRQ


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERAMOMENTOS FLECTORES EN LAS VIGAS CENTRADORAS (Igual que en las zapatas de medianería):

Q1-T13

Q2-T24

R1 R2

L12

D12

VIGA 1-2

Q1-T12

Q3-T34

R1 R3

L13

D13

VIGA 1-3

Q2+T12

Q4+T34

R2 R4

L24

D24

VIGA 2-4

Q3+T13

Q1+T24

R3 R4

L34

D34

VIGA 3-4


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERASOLUCIÓN:

Reacciones del terreno:

Esfuerzos cortantes en vigas centradoras:

Momentos flectores máximos (sección s):

1DL

DL

QR

12

12

13

13

11

24

13121

24

132 L

LRQQ

LD

R

34

12131

34

123 L

LRQQ

LD

R 32143214 RRRQQQQR

113

13112 R

DL

QT 112

12113 R

DL

QT

212212 QTRT 313334 QTRT

12242212 xTRQM 13343313 xTRQM

34244434 xTRQM 24344424 xTRQM


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERAPROCEDIMIENTO (1):

Datos del problema: • Dij (distancia entre ejes de pilares)• Qi (cargas que “bajan por los pilares”)• Presión admisible estimada, padm (depende de la dimensión)

Zapata 1:• Se predimensiona la zapata 1 como cuadrada a partir de la

presión admisible:

• Se obtienen las distancias L12 y L13

• Se obtiene una primera aproximación de R’1: Sólo depende de Q1 y de la geometría predimensionada (L13, L12, D13, D12)

• Con esta nueva R’1 se “redimensiona” la zapata 1 en relación a la presión admisible y se obtiene una nueva R’’1

• Se repite el proceso de manera iterativa hasta que converja R1

• Se obtienen R1, L13 y L12 definitivas

adm1

1 pQB


CONJUNTO DE ESQUINA-MEDIANERAPROCEDIMIENTO (2):

Zapata 2: Una vez dimensionada la zapata 1, conocida R1 definitiva:• Se predimensiona, por ejemplo, con forma rectangular (L=2B):

• Se obtiene la distancia L24

• Se obtiene R2 (con la R1 definitiva del punto anterior)• Se dimensiona finalmente la zapata aumentando la longitud de

la misma, con lo que no cambia la geometría del problema:

Zapata 3:• Se repite el proceso de la zapata 2

Zapata 4:• Obtenidos R1, R2 y R3, se deduce R4 directamente• La dimensión de B4 como cuadrada se obtiene de:

adm2

2 p2QB

adm2

22 pB

RL

adm4

4 pRB


TEMA 8: CARGA DE HUNDIMIENTO DE CIMENTACIONES DIRECTAS


ÍNDICEINTRODUCCIÓN

RELACIÓN CARGA-DEFORMACIÓN EN SUELOS

TIPOS DE FALLOS POR ROTURA

TEORÍA DE PRANDTL PARA CARGA DE HUNDIMIENTO

EXPRESIÓN GENERAL (BRINCH-HANSEN)

COEFICIENTES DE SEGURIDAD

TERRENOS COMPUESTOS POR DOS CAPAS

PRESIONES ADMISIBLES EN SUELOS GRANULARES


CONCEPTO DE HUNDIMIENTOEn un cimiento directo, la aplicación de una carga vertical creciente V, da lugar a un asiento creciente:

La relación presión–asiento depende de la forma y tamaño de la zapata, de la naturaleza y resistencia del suelo y de la carga:

• Para carga moderada, el asiento crece casi linealmente• Si la carga aumenta, la pendiente se acentúa, hasta que se

sobrepasa la capacidad portante del terreno y se producen movimientos inadmisibles: HUNDIMIENTO

La carga para la cual se alcanza el hundimiento es función de la resistencia del terreno, de las dimensiones de la cimentación, de su profundidad, del peso del terreno, de la posición del nivel freático y de la excentricidad e inclinación de la propia carga transmitidaSe le denomina PRESIÓN DE HUNDIMIENTO (qh)

A largo plazo, se entiende como coeficiente de seguridad frente al hundimiento ( ) al cociente entre:

La componente vertical de presión que produce el “hundimiento”La componente vertical de la presión actuante (q)


RELACIÓN CARGA-DEFORMACIÓNSi en una zapata apoyada en arenas aumentamos la carga hasta su “hundimiento”, la “forma de rotura”depende de la densidad y de la profundidad de apoyo:

En cimentaciones someras en arena densa:• Existe un máximo en la curva carga-asiento para asientos del

orden del 5% del ancho de la cimentación• Se produce un levantamiento de la superficie del terreno cerca

de la zapata con una superficie de rotura completa con salida alexterior: Rotura por corte generalizado

En cimentaciones profundas o en arena floja:• El hundimiento se produce sin levantamiento en el exterior• No se alcanza un máximo en la relación carga-asiento (se

compacta la arena)• Para asientos del 6-8 % se producen hundimientos repentinos:

Rotura por punzonamientoEn una situación intermedia:

• La curva presión-asientos es análoga a la de punzonamiento: Rotura por corte local

• Para asientos del 15 % del ancho de la zapata, aparecen líneas de rotura en superficie


Asientos (cm)2 4 6

200

400

600

Presión (kPa)

Rotura por corte generalizado

Rotura por corte local

Rotura por punzonamiento

ROTURA POR CORTE

GENERALIZADO

ROTURA POR PUNZONAMIENTO

ROTURAPOR

CORTELOCAL

TIPOS DE ROTURA


TIPOS DE ROTURATIPOS DE ROTURA EN ARENAS EN FUNCIÓN DE SU ÍNDICE DE DENSIDAD:

R

D

mínmáx

máxd ee

eeI

PerímetroadaargcÁrea2

R

0

2

4

6

8

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1ÍNDICE DE DENSIDAD

D (P

RO

FUN

DID

AD

) / R

(RA

DIO

)

ROTURA POR PUNZOMANIENTO

CORTE LOCAL

CORTE GENERALIZADO


B

B

qh

q0

TEORÍA DE PRANDTLHipótesis:

Carga vertical centrada Cimentación en faja indefinida enterrada con base lisaSuelo arenoso (c=0)No se cuenta con el peso del terreno bajo el plano de cimentaciónEl terreno situado por encima y a los lados, se sustituye por una sobrecarga uniforme


TEORÍA DE PRANDTLSi analizamos la geometría de un posible hundimiento:

Por cálculo dimensional se deduce que la presión de hundimiento debe tener una expresión del tipo:

tgtg2q e

sen1sen1

e24

tgN

B

qh q0

q01h Nqq


PRESIÓN DE HUNDIMIENTOPara un terreno con cohesión, aplicando el teorema de los estados correspondientes de Caquot:

Para carga superficial sobre terreno “con peso”:

Para terrenos con peso y cohesión, la superposición de los efectos queda del lado de la seguridad:

q02h Ngcotcqgcotcq

q0q2h Nq1Ngcotcq

q0c2h NqNcq

1NgcotN qc

NB21

q 3h

NB21

NqNcq q0ch

tg1)(N1,5N q


Nc, Nq y N son los “factores de capacidad de carga”

En una situación a LARGO PLAZO, se define la presión admisible:

R = coeficiente de seguridad ( 3)

A corto plazo (para “carga rápida”) en arcilla saturada:Las propiedades a considerar son:

= u = 0 c = cu

Los coeficientes de capacidad de carga valen:• Nq = 1• Nc resulta indeterminado; por la regla de L’Hôpital: Nc = 5,14• N = 0 • La presión de hundimiento vale:

• La presión admisible es:

0uh qc14,5q

R

hadm

qq

0R

uadm q

c14,5q

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO


PRESIÓN DE HUNDIMIENTOCuando no se cumplen las hipótesis anteriores, se puede corregir la expresión básica con unos FACTORES DE INFLUENCIA o correctores de los factores de capacidad de carga para tener en cuenta:

Formas diferentes a la faja indefinidaResistencia del terreno sobre el plano de cimentaciónInclinación de la cargaProximidad de un estrato rígido

Si no se tiene en cuenta algún aspecto de éstos el coeficiente correspondiente vale la unidad

El Código Técnico de la Edificación contempla algunos casos, y permite aplicar aquéllos otros justificados y “aceptados en Mecánica del Suelo”

Estos casos pueden superponerse y se obtiene una expresión general del tipo de la de Brinch-Hansen


FORMA DE LA CIMENTACIÓNPara zapatas de forma “finita”, distinta a la faja indefinida, se corrige la presión de hundimiento con unos COEFICIENTES DE FORMA, “s” (Geotecnia y Cimientos II):

Donde:• r=B*/L*• B* = ancho equivalente (dimensión menor)• L* = longitud equivalente (dimensión mayor)

Los valores de sq y sc son iguales o mayores a la unidadPara =0, aplicando la regla de l’Hôpital:

sNB21

sNqsNcq *qq0cch

r1r2,01

stgr1s1N

1sNs q

q

qqc

*

*

*

*

cLB

2,01LB

21

1s


RESISTENCIA DEL TERRENO SUPERIORPara tener en cuenta la resistencia al corte del terreno situado sobre la base de la cimentación se aplican los COEFICIENTES DE PROFUNDIDAD, “d” :

Para =0 dq=1

No se deben emplear:Para D< 2 mCerca de taludesCuando se trata de suelos arcillosos plásticos con riesgo de retracción

1d

B2DconBD

arctgsen1N

N21d

!radianesenBD

arctg¡BD

arctg34,01d

**

2

c

qq

**c

dNB21

dNqdNcq *qq0cch


RESISTENCIA DEL TERRENO SUPERIORCriterios para la consideración del valor de la profundidad, “D”:


INCLINACIÓN DE LA CARGACuando existen componentes horizontales de la carga sobre la cimentación, H, se puede definir:

HB, HL son las componentes de H en las direcciones ortogonales paralelas a los ejes o direcciones principales de la cimentación

Se definen los COEFICIENTES DE INCLINACIÓN, “i”:

Estos coeficientes incluyen una comprobación al deslizamiento

VH

tg

VH

tg

LL

BB

1N

1Nii

q

qqcL

3Bq tg1tg7,01i L

3B tg1tg1i

iNB21

iNqiNcq *qq0cch


INCLINACIÓN DE LA CARGACriterios de aplicación de los coeficientes de inclinación:

Las acciones, al actuar en la base de cimentación, consideran el peso de la misma y la componente horizontal aplicada en la basePara =0:

Si el plano de cimentación no es horizontal, se pueden emplear la normal y tangencial a dicho plano (válido para inclinación inferior a 3H:1V)Cuando la componente horizontal de la resultante sea menor del 10% de la vertical, no es obligatorio considerar los coeficientes de inclinación

1i

cLBH

115,0i

q

**c


INCLINACIÓN DEL TERRENOSi el terreno junto a la cimentación no es horizontal y presenta una inclinación, se emplean los siguientes factores de corrección:

es el ángulo de inclinación respecto a la horizontal en radianes

Son coeficientes reductores (t<1)En condiciones sin drenaje, el efecto puede tenerse en cuenta calculando la presión de hundimiento como si la superficie del suelo fuera horizontal, reduciéndola posteriormente en un valor 2· ·cu

Cuando el ángulo de inclinación del terreno sea superior a ’/2 debe llevarse a cabo un estudio específico de estabilidad globalCuando el ángulo de inclinación del terreno sea menor o igual a 5º, se podrá tomar tc = tq = t =1

2sen1t2sen1t

et

q

tg2c

B

qh


PRESIÓN DE HUNDIMIENTOPor superposición se deduce la expresión general de Brinch Hansen:

qh: Presión de hundimiento del terreno (Rk)q0K: Presión vertical alrededor del cimiento en su basecK: Valor característico de la cohesión del terrenoB*: Ancho equivalente del cimiento

K: Peso específico del terreno por debajo de la base del cimientoNc, Nq, N : Factores de capacidad de cargadc, dq, d : Factores de profundidadsc, sq, s : Coeficientes de influencia de la forma en planta ic, iq, i : Coeficientes de influencia de inclinación de la resultantetc, tq, t : Coeficientes de influencia de inclinación del terreno

tisdNB21tisdNqtisdNcq K

*qqqqqK0cccccKh

Término de cohesión

Término de sobrecarga

Término de peso del terreno


PRESIÓN DE HUNDIMIENTO

Término de cohesión Término de sobrecarga Término de peso específico

tgq e

sen1sen1N1NgcotN qc tg1)(N1,5N q

1N1sN

sq

qqc

*cBDarctg34,01d

*2

c

qq

BD

arctgsen1NN

21d 1d

tgr1sqr1

r2,01s

1N

1Nii

q

qqc L

3Bq tg1tg7,01i L

3B tg1tg1i

tisdNB21tisdNqtisdNcq K

*qqqqqK0cccccKh

tg2c et 2sen1tq 2sen1t


CARGA EXCÉNTRICAEl área equivalente de un cimiento es la máxima sección cobaricéntrica con la componente vertical de la resultante de la solicitación en la base

Esta equivalencia hay que realizarla en el plano de apoyo de la cimentación, es decir, incluyendo el peso propio de la misma

Los cimientos no rectangulares se asimilan a otros de igual superficie y momento de inercia respecto al eje del momento

Cuando la cimentación incluya elementos centradores (vigas, tirantes, forjados, etc.) se define por sus dimensiones reales, ya que se supone que dichos elementos han eliminado la excentricidad


CARGA EXCÉNTRICACuando hay momentos en base de cimentación, pueden asimilarse a una carga excéntrica equivalente:

En planta es posible buscar un área equivalente cuyo centro de gravedad sea el de aplicación del axil excéntrico:

VM V

e=M/V


PRESIÓN DE HUNDIMIENTOCriterios de aplicación:

Podrá expresarse en presiones totales o efectivasSe debe comparar con la presión existente en el plano de cimentación; incluye:

• Cargas transmitidas a la cimentación, “bajadas” al plano de la misma

• Peso propio de la cimentación, incluyendo los posibles rellenos sobre la misma

Los parámetros del terreno deben ser representativos de una profundidad entre 1 y 1,5 veces el ancho real de la cimentación (B)Para la comprobación según el Código Técnico se emplean los parámetros característicos (subíndice “k”)


PRESIÓN DE HUNDIMIENTOEn condiciones de carga sin drenaje en suelos cohesivos (“CORTO PLAZO”):

La presión de hundimiento se expresa en tensiones totalesLa resistencia del terreno se representa por cu y u=0Los factores de capacidad de carga valen:

• Nc=5,14• Nq=1• N =0• El término de “peso específico del terreno” se anula• Los coeficientes correctores del segundo término de sobrecarga

(sq, dq, iq, q) valen la unidadSe puede suponer que el coeficiente de seguridad R sólo afecta al término de la cohesiónLa posición del nivel freático no influye, salvo para considerar los pesos de terreno:

• (aparente) sobre el nivel freático• sat bajo el nivel freático


PRESIÓN DE HUNDIMIENTOPara situaciones con drenaje (“LARGO PLAZO”):

La presión de hundimiento se expresa en tensiones efectivas (qh’)La resistencia del terreno viene expresada por c’ y ’El valor de la sobrecarga q0 será la presión vertical efectiva en la base del cimiento y alrededor de ellaLa carga transmitida se expresa en presiones efectivasEl valor del PESO ESPECÍFICO DEL TERRENO K a introducir en la fórmula debe representar el estado de tensiones efectivas por debajo del cimiento:

• El aparente, , si el nivel freático está a una profundidad mayor que el ancho B* bajo la base de la cimentación

• El sumergido, ', si está en o sobre la base de la cimentación• Si está en una posición intermedia, a una profundidad z de la

base, se interpola linealmente:

Si existe un flujo de agua ascendente, de gradiente iv:

'Bz

'K

wvK i'




SUELOS GRANULARESMÉTODO SIMPLIFICADO PARA SUELOS GRANULARES:

La presión vertical admisible de servicio suele estar limitada por condiciones de asientoSon suelos difíciles de muestrear; se basa en el SPTPara terreno horizontal (pendiente inferior al 10%), la inclinación de la resultante menor del 10% y si se admite la producción de asientos de hasta 25 mm:

Siendo:• st: Asiento total admisible, en mm• NSPT: Valor medio en una zona de influencia desde 0,5 B* por

encima de su base a un mínimo de 2 B* por debajo de la misma• D la profundidad de apoyo

25s

B3D

1N12)kPa(qm2,1B t*SPTadm

*

2

*

*t

*SPTadm*

B3,0B

25s

B3D

1N8)kPa(qm2,1B


SUELOS GRANULARESCriterios de aplicación del MÉTODO SIMPLIFICADO PARA SUELOS GRANULARES:

El valor de (1+D/3B) a introducir en las ecuaciones será menor o igual a 1,3Las formulas anteriores se considerarán aplicables para cimentaciones superficiales de hasta 5 m de ancho real (B)Para anchuras superiores a 5 m deben siempre comprobarse los asientos de la cimentaciónSi existe nivel freático a la altura de apoyo de la cimentación o por encima, para poder aplicar las formulas anteriores debe garantizarse mediante un adecuado proceso constructivo que las características mecánicas del terreno de cimentación no se alteran (sifonamiento, levantamiento del fondo, etc.)Será necesaria en todo caso la comprobación de que no se producen asientos excesivos debidos a la presencia de cargas próximas y suelos menos firmes situados a mayor profundidad que 2 B* desde la base de la cimentación


TEMA 9: VIGAS FLOTANTES Y LOSAS DE CIMENTACIÓN


INTRODUCCIÓNSe entiende por viga de cimentación aquélla que recoge dos o más pilares

Una ventaja de este tipo de cimentación es su menor sensibilidad frente a un posible defecto local

El cálculo es complejo y sólo puede ser abordado con métodos aproximados, donde el proyectista debe emplear en muchos aspectos su propio criterio

La complejidad surge de la interacción suelo-estructura:

El empleo de ordenador hace más abordable el cálculo

El mismo problema lo plantean las losas, en dos dimensiones

SUELO RÍGIDO SUELO BLANDO


INTERACCIÓN CIMIENTO-TERRENO

Una zapata infinitamente flexible con carga uniforme:Sufre un asiento mayor en el centro que en los extremos, que no se limita al área cargada, sino que se extiende a ambos ladosAl ser flexible, la zapata no soporta momentos flectores y la distribución de presiones en el terreno es idéntica a la aplicada en superficie

Si la zapata es rígida el asiento será uniformeLas presiones en el terreno en los extremos de la zapata rígida son superiores a las de la zapata flexible y en el centro son menoresResulta así una distribución no uniforme de presiones

En casos intermedios, la distribución del asiento estácondicionada por la rigidez del cimiento:

Bajo los extremos es mayor que el de la zapata flexible, mientras que en el centro el asiento es menor


RIGIDEZ TERRENO-ESTRUCTURASegún la deformabilidad relativa del suelo, del cimiento y de la estructura, se pueden plantear cuatro casos:

CIMENTACIÓN RÍGIDA CIMENTACIÓN FLEXIBLE

ESTRUCTURARÍGIDA

ESTRUCTURAFLEXIBLE


RIGIDEZ TERRENO-ESTRUCTURASOLUCIONES:

El CTE solamente permite calcular con método para viga rígida en el caso en que ambos sean rígidos: En el resto de casos se debe calcular como viga flexibleEl problema es juzgar cuando el conjunto estructura+cimientos esrígido o flexible en relación al terreno para aplicar el método de cálculo apropiadoExisten diferentes criterios no coincidentes, uno de ellos lo proporciona el CTE

CIMENTACIÓN RÍGIDA CIMENTACIÓN FLEXIBLE

ESTRUCTURARÍGIDA

No hay flexiones

Distribución de presiones lineal

No existe método exacto de cálculo

Soluciones aproximadas

ESTRUCTURAFLEXIBLE

La distribución de tensiones en el terreno depende de éste

(método del módulo de balasto)

Método elástico (módulode balasto)


RIGIDEZ TERRENO-ESTRUCTURACriterio del CTE para evaluar la rigidez relativa del conjunto estructura+cimentación y el terreno:

La rigidez relativa de una estructura con respecto al terreno puede estimarse mediante el factor Kr:

EE el módulo de deformación global representativo de los materiales empleados en la estructura

IB el momento de inercia de la estructura, por metro de anchoEs el módulo de deformación del terrenoB el ancho de la cimentación

La rigidez de la estructura por metro de ancho del edificio se obtiene sumando las de la cimentación y los elementos estructurales (vigas, forjados, muros):

Se considera:• Estructura rígida cuando Kr > 0,5• Si Kr < 0,5, se considera flexible

3s

BEr

BE

IEK

12haEIEIEIE

3murosbforjadoscimcimBE


RIGIDEZ RELATIVA TERRENO-CIMIENTOUna viga corrida cumple la hipótesis de rigidez relativa si (CTE):

l la luz del vano que separa, bien los dos pilares de una zapata combinada, bien dos pilares cualesquiera de una zapata corrida

v la luz de cualquier voladizo en la dirección longitudinalB el ancho de la zapata (dirección transversal)Ec el módulo de deformación del material de la zapataIc el momento de inercia de la sección transversal de la zapata respecto al eje

de simetría horizontalksB el módulo de balasto representativo de las dimensiones del cimiento

• A la raíz se le suele llamar longitud elástica, Le

De no cumplirse esta condición, se considera viga flexible

4sB

cc

4sB

cc

kBIE4

4v

kBIE4

2


MODELO DEL COEFICIENTE DE BALASTOEl SEMIESPACIO DE WINKLER representa un suelo heterogéneo con variación de “E” lineal en profundidad:Para =0,5 su comportamiento ante una carga vertical responde al modelo del COEFICIENTE DE BALASTO:

El asiento bajo carga vertical en un punto es proporcional a éstaEl COEFICIENTE DE BALASTO (ks) se define como el cociente entre la presión vertical (q) aplicada y el asiento (s) experimentado:

Tiene unidades de peso específico: Equivale a suponer que el terreno es un líquido de peso específico ks, sobre el que “flota” la cimentación

La estimación del coeficiente de balasto se realiza:A partir de ensayos de carga con placa:

• Al ser las placas pequeñas, hay que convertir el módulo del ensayo al representativo de la anchura real del cimiento

• Se suelen emplear placas de diámetro igual o superior a 60 cmA partir de parámetros de deformabilidad obtenidos mediante ensayos, y el posterior cálculo geotécnico de asientos

sqks

z)z(E


COEFICIENTE DE BALASTOEs posible correlacionar los coeficientes de balasto correspondientes a dimensiones o placas de tamaño y forma diferentes

Cálculo del coeficiente de balasto kSB de la cimentación deancho Bc a partir del coeficiente de balasto ksp obtenido con placa de carga cuadrada de ancho Bp (Bp=0,30 para placa de 0,3x0,3):

Corrección por aumento de tamaño:• Para terrenos cohesivos se cumple que:

• Para terrenos granulares:

Corrección para zapata rectangular de dimensiones B*L:

c

pspSB B

Bkk

2

c

pcspSB B2

BBkk

L2B

1kk sBsBL


COEFICIENTE DE BALASTOPara la cimentación de losas y emparrillados la fiabilidad de los módulos de balasto obtenidos a partir de ensayos de carga suele ser insuficiente por los efectos de escala implicados, especialmente en terrenos heterogéneos estratificados

Valores orientativos del coeficiente k30 (Código Técnico de la Edificación):


CÁLCULO VIGA RÍGIDAEl CTE solamente permite utilizar este tipo de cálculo si tanto la viga como el conjunto cimiento-estructura se consideran rígidos

El reparto de tensiones se supone lineal y el cálculo se resuelve por estática:

Siendo q el peso propio

Para e L/6, se tiene

Si la resultante cae fuera del núcleo central, la distribución es triangular sin tracciones y no se aplican las expresiones anteriores

El cálculo de la viga se reduce al de una pieza sometida a la reacción del terreno y las acciones de la estructura

LqN'R i

2iiiR

' Lq21

xNMxR '

Le6

1Lb

R'

mín/máx


CÁLCULO VIGA FLEXIBLE: VIGA FLOTANTESe aplica el modelo de Winkler: La reacción del terreno es proporcional al descenso, p=ks*y

Ecuaciones de equilibrio:

Hipótesis de Navier:

Se obtiene la ecuación diferencial de la viga sobre el semiespacio de Winkler, o viga flotante:

ykqbpqbdxdQ

s

dxdM

Q

2

2

dxyd

IEM

ykbqbdx

ydIE

dx

ds2

2

2

2


CÁLCULO VIGA FLEXIBLE: VIGA FLOTANTESi EI es constante, se llama longitud elástica a:

y se hace el cambio de variable x’=x/Le, se obtiene finalmente:

Esta ecuación se resuelve numéricamente, con las condiciones de contorno de cada problemaExisten programas comerciales para obtener la deformada y los esfuerzos en todos los casos posiblesConviene que las vigas de cimentación tengan cierta rigidez pues si son muy flexibles no reparten las cargas de los pilaresEl método debe ser utilizado sin que se produzcan zonas de tracción, que el terreno no puede soportar

4e kb

IE4L

qk4

y4dx

yd4'

4


CÁLCULO VIGA FLEXIBLE: VIGA FLOTANTETambién es interesante disponer de voladizos, ya que de otra forma las tensiones y asientos en los pilares de los bordes resultan muy elevados


LOSAS DE CIMENTACIÓNCuando el 50 % de la superficie en planta está ocupada por zapatas, es mejor económicamente una cimentación por placa

Debe procurarse que la resultante de cargas pase por el centro de gravedad del área de la losa:

Para todas las combinaciones de cargas e incluso sin sobrecargasSe recomienda que la resultante pase por la “zona de seguridad”Esta zona es homotética con razón ½ del núcleo central con respecto al centro de gravedad de la superficie de apoyoSi cae fuera de la zona de seguridad hay que comprobar que los asientos e inclinación del edificio son admisibles y la seguridad al hundimientoEn ningún caso se puede admitir fuera del núcleo central

Se deben poner juntas cuando:Se tengan formas no rectangulares y con entradas (L, H, T)Cuando existan partes del edificio con cargas muy diferentesEn edificios de gran longitud (>30-40 m)

En el caso de juntas hay que estudiar la interacción de un edificio sobre el otro, y los asientos diferenciales


TIPOS DE LOSAS


CÁLCULO DE LOSAS


CÁLCULO DE LOSAS


LOSAS DE CIMENTACIÓNELECCIÓN DEL CANTO DE LOSAS DE CIMENTACIÓN:

Las losas flexibles son poco aconsejables ya que pueden dar lugar a asientos importantes de los pilaresLas losas rígidas, homogeneizan asientos, pero son costosas.Rodríguez Ortiz propone los siguientes cantos:

La condición de punzonamiento suele ser muy desfavorable en losas: A veces hay que reforzarlas con más armado bajo pilares

Canto en m para una longitud de losa:

Nº de plantas B = 15 m B = 30 m B = 40 m

< 5 0,60 0,80 1,00

5 – 10 0,90 1,20 1,50

10 - 20 1,50 2,00 2,50


CÁLCULO LOSAS RÍGIDASNo se considera el peso propio, excepto para asegurarse de que no aparecen tracciones en el contacto:

Si Mx , My son los momentos respecto a ejes y y x respectivamenteIx, Iy momentos de inercia respecto a ejes x e y respectivamenteQ Mx My ex= Mx/ Q ey= My/ Q

Para una losa rectangular:

Los valores extremos serán para:

x

y

y

x

I

My

IMx

AQ

p

x

y

y

x

I

ey

Iex

A1

Qp

B

e6

Le6

1LB

Qp yx

2y

2x

B

ey12

L

ex121

LBQ

p

2By2

Lx

Bx

yL


TEMA 10: CIMENTACIONES POR PILOTAJE. NOCIONES

BÁSICAS SOBRE PILOTE AISLADO


ÍNDICE

OBJETO DE LOS PILOTES

TIPOS DE PILOTES

CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADO SOMETIDO A CARGAS VERTICALES


FÓRMULAS DE HINCA

ROZAMIENTO NEGATIVO


INTRODUCCIÓNA efectos del CTE se considera que una cimentación es profunda si su extremo inferior en el terreno está a una profundidad superior a 8 veces su diámetro o ancho

Se contempla cuando no es técnicamente viable la ejecución de una cimentación superficial

Tipos de cimentaciones profundas:Pilote aislado: Está a una distancia suficientemente alejada de otros pilotes como para que no tenga interacción geotécnica con ellosGrupo de pilotes: Cuando por su proximidad interaccionan entre sí y se considera que trabajan conjuntamenteZonas pilotadas:

• Se disponen amplias zonas con grupos de pilotes repartidos• Persiguen reducir asientos o el riesgo de hundimiento• Suelen ser pilotes de escasa capacidad portante individual• Regularmente espaciados o situados en puntos estratégicos

Micropilotes: Compuestos por una armadura metálica de tubos, barras o perfiles introducidos dentro de un taladro de pequeño diámetro, a veces inyectados con lechada de mortero a presión


OBJETO DE LOS PILOTESTransferir cargas a través de agua o suelo blando hasta un estrato duro adecuado, con pilotes “columna”

Transferir cargas a estratos más profundos que aseguren un aumento de la carga de hundimiento y disminución de asientos

Dado que a mayor presión efectiva de un suelo mayor es su carga de rotura y menores los asientos para un mismo incremento de presiónSe interesa una mayor masa de suelo en el sostenimiento de la estructura

Anclar estructuras sometidas a la subpresión o a fuertes momentos (pilotes de tracción)

Para resistir fuertes cargas horizontales o inclinadas (pilotes inclinados)

Formar pantallas de pilotes

Transmitir cargas a estratos más profundos, no sometidos a cambios de volumen (pilotes en arcillas expansivas)

Para compactar terrenos flojos (pilotes de compactación)

Para recalce de obras (pilotes y micropilotes)


PANTALLAS DE PILOTES


TIPOS DE PILOTESCLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES:

Por la forma de trabajo:• Pilotes de punta• Pilotes de fuste

Por la forma de la sección transversalPor el tipo de material:

• Hormigón “in situ”• Hormigón prefabricado• Otros materiales:

– Acero– Madera

Por el procedimiento constructivo:• Pilotes prefabricados hincados (pilotes de desplazamiento): Sin

excavación previa• Pilotes hormigonados in situ: El hormigonado se realiza dentro

del terreno


TIPOS DE PILOTESPOR LA FORMA DE TRABAJO:

Por fuste: Cuando al no existir un nivel claramente más resistente al que transmitir la carga del pilotaje, éste transmite su carga al terreno fundamentalmente a través del fuste (pilotes “flotantes”)Por punta: Cuando existe a cierta profundidad un estrato claramente más resistente, y las cargas del pilotaje se pueden transmitir fundamentalmente por la punta (pilotes “columna”)


TIPOS DE PILOTESPOR LA FORMA DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL:

Suelen tener forma aproximadamente prismáticaLa sección transversal del pilote suele ser circular o regular (cuadrada, hexagonal u octogonal)Se asimilan a elementos cilíndricos de longitud L y de diámetro D

• Cuando se quiere evaluar la capacidad portante por la punta, se hace la equivalencia igualando el área de la sección transversal:

Siendo A la sección transversal del área de apoyo• Para la resistencia por fuste, se hace la equivalencia en la

longitud del contorno de la sección (perímetro), P, esto es:

• En pilotes metálicos en H, la longitud de contorno se toma igual al doble de la suma del ancho del ala más el canto

A4

Deq

PDeq


TIPOS DE PILOTESPOR EL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO (I):

Pilotes prefabricados hincados:• Se produce un desplazamiento del terreno, al introducir el pilote

sin hacer excavaciones previas que faciliten su alojamiento• Se hincan por vibración o percusión con golpes de maza• Pueden componerse de varios tramos, unidos mediante juntas• La resistencia del pilote nunca será superior a la de las juntas• Pueden ser aislados si se arriostran en dos direcciones

ortogonales. Si aún así existen momentos, los deberán resistir las armaduras del pilote

• Según el material pueden ser de:– Madera– Metálicos– Hormigón armado


TIPOS DE PILOTESPOR EL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO (II):

Pilotes hormigonados “in situ”:• Pueden ser de extracción o de desplazamiento• Se ejecutan en excavaciones previas realizadas en el terreno:

– D < 0,45 m: En general no se deben ejecutar aislados– 0,45 m < D < 1,00 m: Se pueden realizar pilotes aislados

siempre que se arriostren en dos direcciones ortogonales– D > 1,00 m: Pueden ser aislados sin arriostramiento, pero

armados para las excentricidades y momentos resultantes• Según el procedimiento, los más habituales son:

– Con entubación:» Entubación recuperable» Entubación perdida

– Sin entubación:» Fabricación con lodos» Barrena continua


PILOTES DE MADERASe emplean desde el Neolítico (5.000 años a.C.):

En la actualidad se emplean muy pocoSon de desplazamiento: Se hincan a golpes

Si se encuentran situados por encima del nivel freático pueden durar 25 años, pero no son permanentesSirven para generar zonas pilotadasVentajas:

Bajo coste por metro de piloteMaterial dúctil: Muy conveniente en zonas sísmicasBajo el nivel freático se conservan, en general, satisfactoriamente

Inconvenientes:Longitud limitadaPueden astillarse durante la hinca (atravesando roca o bolos)No son permanentes (sobre todo en zona de oscilación del N.F.); se puede solucionar tratando la madera con creosota


PILOTES METÁLICOSSe utilizan mucho en los países nórdicos y muy poco en España

Son vigas de perfil HEB en “doble T” o en “U” que se clavan en el terreno

Pueden presentar el problema de la corrosión (v. Schwerdtfeger, 1965):

En general, este problema es más importante en suelos con resistividad inferior a 500 cmSe resuelve con tratamientos de pintura o protección catódica

Se emplean cuando hay limitaciones al hormigonado:Plazos reducidosTemperaturas bajas permanentesContención de deslizamientos


PILOTES APISONADOS (DE DESPLAZAMIENTO)


PILOTES PREFABRICADOS DE HORMIGÓNCaracterísticas:

Se fabrican en el exterior antes de su colocación:• En obra: Requiere espacio para su fabricación y almacén• En fábrica (más habitual): Mejor calidad

Se hincan, al menos en parte, a golpesCarga máxima: 1500 – 1600 kN (150-160 t) (para hormigones de resistencia 35-45 MPa)Suelen estar limitados a unos 15 m de longitud por problemas de transporte y manejo; para mayores longitudes se colocan por “sectores” con juntas

El terreno debe ser homogéneo:Es preferible que todos los pilotes tengan longitudes similaresComo la estratigrafía es, en parte, interpretada, se suelen hacer más largos de lo previsto y luego se cortan, una vez que se ha alcanzado una penetración fijadaTambién pueden añadirse mediante juntas si se han quedado cortos

Si las puntas de los pilotes encuentran una superficie rocosa lisa inclinada, pueden deslizar sobre ella, perdiendo su verticalidad


PILOTES PREFABRICADOS DE HORMIGÓNVentajas:

Carga de trabajo elevada (fck>35 MPa)Adecuados para terrenos agresivos (tratados)Se prueba cada pilote con la hinca (registro): Se exige un “rechazo”Bastante permanentesRapidez de ejecuciónPueden construirse inclinadosSe puede eliminar el “rozamiento negativo” pintándolos con betún

Inconvenientes:Precisan armaduras para la colocación (flexiones en el manejo)Mucho espacio si se fabrican en obra (fabricación, curado..)Pueden dañarse durante la hinca o desviarseRequieren equipo pesado para manejo e hincaProducen vibraciones en el terreno (zonas urbanas)

Con juntas se evita la limitación en el transporte:Se pueden alcanzar profundidades de hasta 90 mSuelen tener juntas machihembradasExiste un azuche para atravesar o empotrar en estratos duros


EJECUCIÓN DE PILOTES HINCADOS


EMPALME DE ELEMENTOS DE PILOTES PREFABRICADOS


PILOTES DE PERFORACIÓNSon los pilotes hormigonados in situ que se construyen haciendo un orificio en el terreno, hasta la profundidad deseada, y rellenándolo con hormigónSe emplean más en zonas urbanas que los prefabricados, por los problemas de vibración de estos últimosSe construyen con diámetros entre 350 y 3000 mmVentajas:

Carga de trabajo relativamente altasBastante permanente. Adecuados para terrenos agresivos si se fabrican con cemento resistenteSe hacen de la longitud deseadaNo hay daño por manejo e hincaLas vibraciones son pequeñas, sólo la hinca del revestimiento

Inconvenientes:No se pueden hacer inclinadosAflojan los terrenos arenosos en la excavaciónPueden estrangularse al retirar el revestimiento o la hélice


PILOTES DE PERFORACIÓNPILOTES CON ENTUBACIÓN:

ENTUBACIÓN RECUPERABLE:• Se realiza la excavación protegiéndola con un tubo que avanza

con ella (“camisa”)• La excavación se suele realizar con cuchara bivalva. Si el

terreno es muy duro, se requiere emplear previamente el trépano antes de usar la cuchara

• Una vez terminada la perforación se coloca la armadura• Se hormigona con trompa, retirando la entubación evitando

cortar el pilote (al menos 2D de hormigón dentro del tubo)• Con entubación se pueden realizar pilotes de hasta 1.500 mm

de diámetro y 25 m de profundidad• Sin entubación se han hecho de 3.000 mm y hasta 60 m• Adecuados para pilotes donde exista un relleno de tipo aluvial,

bolos, o cantos


PILOTES DE PERFORACIÓNPILOTES CON ENTUBACIÓN:

ENTUBACIÓN PERDIDA:• En algunas ocasiones se deja la entubación “perdida” o se

coloca en su interior una camisa perdida:– Corrientes de agua– Huecos– Terrenos muy agresivos– Terrenos muy blandos

PILOTES SIN ENTUBACIÓN:• En arcillas firmes, a veces las paredes se sostienen sin

entibación• La excavación se realiza con una barrena corta o con un cubo• Con este procedimiento se han hecho pilotes de hasta 3.000

mm de diámetro y hasta 60 m de longitud


PILOTES PERFORADOS CON ENTUBACIÓN RECUPERABLE


PILOTES DE ENTUBACIÓN RECUPERABLE


PILOTES DE BARRENA CORTA


PILOTES DE PERFORACIÓNPILOTES PERFORADOS CON LODOS:

Las paredes de la perforación se mantienen estables rellenándola con lodos bentoníticosNo valen para suelos con bolos (los lodos se “van”)Es un sistema más económico que el de entubación recuperableProceso:

• Se ejecuta un antepozo que sirve de guía• Con una cuchara bivalva se extrae el terreno• No se emplea revestimiento: Las paredes se mantienen

rellenando la perforación con lodo bentonítico que al tener mayor densidad que el agua y mayor altura que el nivel freático las sostiene por empuje hidrostático y crea una película en las paredes (“cake”)

• La excavación circular es muy estable por el efecto “arco”• Una vez terminada la excavación hay que limpiar el fondo para

evitar un “colchón” blando en la punta del pilote• Se hormigona con trompa de abajo a arriba, introducida en la

masa para que el hormigón sucio salga a la superficie• El hormigón que se emplea es muy fluido


PILOTES DE PERFORACIÓNPILOTES DE BARRENA CONTINUA:

Gran rapidez y economía de ejecuciónSe perfora con barrena helicoidal hasta la profundidad deseadaLa barrena debe tener como mínimo la longitud de la perforaciónSe hormigona por el tubo central de la barrena, desde el fondo apresión: El hormigón desaloja la barrena y el terrenoPrecisa un hormigón fluidoFinalmente se coloca la jaula de armadura mediante vibración; es muy difícil de colocar armadura profundaLas limitaciones de longitud vienen fijadas por la de la hélice:

• Para D = 350 mm L < 23 m• Para D = 1.000 mm L < 15 m

Un inconveniente es que no vemos el terreno perforado hasta después de hormigonar


PILOTES DE BARRENA


PILOTES DE PERFORACIÓNPILOTES DE BARRENA CONTINUA:

VENTAJAS:• Ausencia de vibraciones que puedan afectar a edificios• Altera poco la arcilla de las paredes y del fondo• Por la rapidez con que se realiza la excavación, el

reblandecimiento del terreno durante la perforación es pequeño• No quedan detritus en el fondo de la excavación, ya que la

punta de la barrena sólo se separa del fondo cuando el hormigón bombeado alcanza una presión entre 5 y 10 kp/cm²

• También se limita el riesgo de estrangulamiento si el control es adecuado, ya que es el hormigón el que empuja la barrena

INCONVENIENTES:• Limitación en la longitud de la armadura• Dificultad de colocar la armadura con sus recubrimientos, y la

dificultad para hacerla penetrar suficientemente en pilotes sometidos a cargas laterales importantes

• Limitación de longitud por la longitud precisa de barrena• No sirve para traspasar capas duras• Requieren control y un operador especializado


TIPOS DE PILOTESCARACTERÍSTICAS DE LOS PILOTES MÁS FRECUENTES:

Tipo Lmax(m)

dmax(mm)

Qmax(kN)

Circunstancias en que no puede

utilizarse

Prefabricadode hormigón 90 425 1.600 Cercanía de edificios

antiguos

Barrenacontinua 23 1.000 3.300 Cuando hay bolos

Pilotes inclinados

Perforadocon lodos 25 2.000 13.000

Terrenos muy permeables

Pilotes inclinados

Perforado en seco 80 3.000 20.000 Sólo se puede usar en

suelos firmes

Entubación recuperable 25 1.500 10.000 Pilote caro


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOSe comprueba un pilote o grupo predimensionado:

TIPO:• Aspectos constructivos y de edificaciones cercanas• Propiedades del terreno y nivel freático• No se colocan tipos diferentes en un mismo encepado

NÚMERO:• Vendrá condicionado por el tope estructural• Lo ideal son 3 pilotes por encepado o apoyo• Si se usan 1 ó 2, es posible que se necesite arriostramiento

LONGITUD:• Hay que elegir profundidad suficiente para la carga a soportar

(punta+fuste)• Si trabajan por punta, hay que empotrarlos en la capa

resistente (grava, marga, roca, …)– De 3 a 5 veces su diámetro– Hay que saber si existen capas blandas inferiores


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS:

Estabilidad globalHundimientoRotura por arrancamientoRotura horizontal del terreno bajo cargas del piloteCapacidad estructural del pilote: Se podrá producir este modo de rotura cuando la carga vertical sobre la cabeza del pilote induzca esfuerzos que puedan dañar su estructura

HUNDIMIENTO:Cuando la carga vertical sobre la cabeza del pilote supere la resistencia del terreno causando asientos desproporcionadosSe cuantifica mediante la carga de hundimiento, Rck:

Sólo veremos pilote bajo carga verticalR

ckcd

RR


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOEl pilote transmite al terreno la carga que recibe de la estructura mediante dos mecanismos diferentes:

Por rozamiento a través de la superficie perimetral del FUSTEPor la resistencia que opone el terreno a la penetración de la PUNTA

Cuando se llega a la máxima resistencia del terreno en ambos casos, se ha alcanzado la carga de hundimiento:

La resistencia de un pilote aislado (Rck) es la suma de:

• La resistencia por punta, Rpk, es proporcional al área de su sección en la punta, Ap:

• La resistencia por fuste, Rfk, es proporcional a su superficie lateral:

Las resistencias unitarias, qp y f, dependen del tipo de terreno y de pilote

fkpkck RRR

pppk AqR

L

0dzfffk pR


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOCONSIDERACIONES SOBRE LA PUNTA:

El área de la punta a utilizar en el cálculo será:• La sección transversal a nivel de la punta (pilotes de extracción)• La proyección en el plano transversal en pilotes hincados• Para pilotes huecos o para perfiles metálicos hincados sin

azuche, se calcula el área de la punta equivalente (c. externo)• Para pilotes metálicos en H, el menor de:

– El área del rectángulo circunscrito– Vez y media el cuadrado del ala

• En los pilotes huecos hincados, el área de la superficie encerrada por el contorno externo

Si bajo la punta existen zonas arcillosas de menor resistencia (cu), la resistencia unitaria por punta "qp" está limitada por la expresión:

• H la distancia de la punta al estrato del suelo cohesivo blando• cu la resistencia al corte sin drenaje del suelo cohesivo blando

u

2

p cDH

16q


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOCONSIDERACIONES SOBRE LA PUNTA:

En casos de terreno heterogéneo, se supone que la carga de hundimiento por la punta está controlada por un terreno con las características medias de la zona comprendida entre:

• Tres diámetros bajo la punta: ZONA ACTIVA (inferior)• Seis diámetros sobre la punta: ZONA PASIVA (superior)


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOCONSIDERACIONES SOBRE LA RESISTENCIA POR FUSTE:

Cuando la resistencia unitaria por fuste varíe con la profundidad, se debe realizar una integración a lo largo del piloteCuando se pueda considerar constante por tramos y también lo sea la sección del pilote, se cuantifica mediante un sumatorio con un término por cada tramo:

Af = Área de contacto entre el pilote y el terreno en cada tramo

f = Resistencia unitaria por fuste en cada tramoEn los pilotes con sección transversal especial (en H), se toma como perímetro del contorno la correspondiente a la figura geométrica simple (circunferencia, rectángulo o cuadrado) que conduzca a un perímetro menorEn los pilotes columna sobre roca, no debe contemplarse la resistencia por fuste en los suelos cuya deformabilidad sea claramente mayor que la correspondiente a la zona de la punta

fffk AR


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOHay tres métodos básicamente (CTE):

MEDIANTE SOLUCIONES ANALÍTICAS:• PRESIONES EFECTIVAS:

– Válido para suelos granulares y no coherentes– También se podría aplicar en suelos cohesivos a largo plazo

• PRESIONES TOTALES (Fórmulas estáticas):– Para suelos finos a corto plazo

MEDIANTE ENSAYOS DE PENETRACIÓN IN SITU:• Ensayo de penetración estándar SPT• Ensayos de penetración dinámica ó estática• Ensayos presiométricos

Las FÓRMULAS DE HINCA:Sirven para comprobar en obra que la longitud es la correctaProporcionan parámetros “reales” in situ


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO DE LAS PRESIONES EFECTIVAS:

Según el CTE para terrenos granulares y cohesivos a largo plazo ( ’-Se supone c’=0)La resistencia unitaria por la punta del pilote es:

fp = 3 para pilotes hincados; 2,5 para perforados’v = presión efectiva al nivel de la punta del pilote, antes de instalar el pilote

Nq = coeficiente de la carga de hundimiento, función de :

• Se suele considerar que crece linealmente con la profundidad– Hasta una profundidad crítica (Dc), a partir de ella, es

constante– La longitud crítica depende del ángulo de rozamiento

interno del terreno ( ) y del diámetro del pilote

tgq e

sen1sen1

N

MPa20Nfq q'vppp

Dc

’v


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADO

1

10

100

20 25 30 35 40 45

Ángulo de rozamiento interno (º)

Rel

ació

n lo

ngitu

d cr

ítica

/diá

met

ro (D

c / d

)


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOESTIMACIÓN DEL ÁNGULO DE ROZAMIENTO INTERNO:


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOESTIMACIÓN DEL ÁNGULO DE ROZAMIENTO INTERNO:

Correlaciones con SPT y CPT:

Correlación entre SPT y CPT


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO DE LAS PRESIONES EFECTIVAS:

La resistencia unitaria por el fuste es:

’v = presión efectiva al nivel consideradoKf = coeficiente de empuje horizontal:

1 para pilotes hincados0,75 pilotes perforados

f = factor de reducción del rozamiento del fuste:1 para pilotes de hormigón “in situ” o de madera0,9 pilotes prefabricados de hormigón0,8 pilotes de acero en el fuste

ángulo de rozamiento interno del sueloA partir de la longitud crítica, al igual que pasaba con la resistencia por la punta, f suele suponerse constantePara suelos cohesivos a largo plazo se limita: f < 0,1 MPa

kPa120tgfK f'vf


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO DE PRESIONES TOTALES:

Válido para arcillas y limos a corto plazoResistencia por la punta:

Resistencia por fuste:

En pilotes con fuste de acero en suelos finos, el valor de f a corto plazo se afectará por un coeficiente reductor de 0,8cu puede obtenerse como: cu = qu/2 ; cu = qc/15

uupp c9cNq

)kPaency(c100c100

ufu

uf


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO BASADO EN EL SPT:

Válido para pilotes perforados e hincados en suelos granulares, sin gravas gruesas, cantos ó bolos en proporción que puedan desvirtuar el resultado del ensayo (< 30% de tamaño mayor de 2 cm) NSPT es el valor del SPT al nivel considerado (NSPT < 50)Resistencia unitaria por punta:

• Siendo:fN = 0,4 para pilotes hincados y 0,2 para pilotes

hormigonados in situN el valor medio de NSPT entre la zona activa inferior y la

media en la zona pasiva superiorResistencia por fuste:

• Pilotes hincados:• Pilotes hormigonados in situ:

Para pilotes metálicos la resistencia por fuste se reducirá al 80%En suelos cohesivos, con qu > 0,1 MPa se podrán utilizar correlaciones entre los ensayos SPT y CPT (penetrómetro estático)

)MPa(Nfq Np

)kPa(N5,2 SPTf

)CTENo()kPa(NSPTf


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO BASADO EN PENETRÓMETROS ESTÁTICOS:

Con el CPT se puede medir, de manera continua, la resistencia unitaria en la punta del cono "qc" y también en su fuste " f"El valor de "q*

c" es el promedio de las zonas activa y pasivaPara pilotes de diámetro mayor que 0,5 m, en vez de la media, se recomienda adoptar el valor mínimo medido de qc

La carga unitaria de hundimiento por punta, se supondrá igual al 80% del valor así determinado:

fq = 0,5 para pilotes hincadosfq = 0,4 para pilotes hormigonados in situ

Si en el ensayo penetrométrico no se ha medido la resistencia unitaria por fuste, se puede suponer:

• Suelo granular: f=qc/200• Suelo cohesivo: f=qc/100• La resistencia por fuste estimada indirectamente será < 0,1 MPa

*qp c

qfq


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO BASADO EN ENSAYOS PRESIÓMETRICOS:

Los presiómetros o dilatómetros miden la presión horizontal necesaria en la pared de un sondeo para plastificar el terrenoResistencia unitaria por punta:

pl la presión límite del ensayo presiométrico; valor promedio en las zonas activa y pasiva

po la presión efectiva vertical al nivel del apoyo (antes de cargar)Ko el coeficiente de empuje al reposo (en general Ko = 0,5)K un coeficiente de proporcionalidad que depende del terreno:

3,2 en suelos granulares1,5 en cohesivos

Resistencia unitaria por fuste:

• Suelos granulares: f < 120 kPa• Suelos finos: f < 100 kPa

00lp pKpKq

00lf pKp101


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO BASADO EN PRUEBAS DE CARGA:

Es fundamental conocer la estratigrafía del terrenoSe realizan pruebas hasta rotura en varios pilotes (n)La resistencia se estima como:

• Pruebas estáticas de carga:Rk = Min {Rmedia/ 1 ; Rmínima/ 2}

• Pruebas dinámicas de hinca:Rk = Min {Rmedia/ 3 ; Rmínima/ 4}

• Los valores de dependen del número de ensayos, n• En función del tipo y control de la prueba de carga, los valores

de los coeficientes 3 y 4 de la tabla deben multiplicarse por:– 0,85 para ensayos con control de deformación y

aceleración– 1,10 si se utiliza una fórmula basada en la medida de las

compresiones de la cabeza del pilote durante la hinca– 1,20 si se utiliza una fórmula de hinca sin medir el

desplazamiento de la cabeza del pilote durante la hincaTEMA 10 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOMÉTODO BASADO EN PRUEBAS DE CARGA:

Valores de los coeficientes 1 y 2 :

Valores de los coeficientes 3 y 4 :

n 1 2 3 4 > 5

1 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00

2 1,40 1,20 1,05 1,00 1,00

n > 2 > 5 > 10 > 15 > 20

3 1,60 1,50 1,45 1,42 1,40

4 1,50 1,35 1,30 1,25 1,25


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADOPILOTE AISLADO SOMETIDO A TRACCIÓN:

Se considera únicamente la resistencia por fusteLa resistencia por fuste es parecida a la calculada para pilotessometidos a compresión

• Algunos autores recomiendan adoptar el 80% de ésta (70% en el Código Técnico de la Edificación)

Para el cálculo, hay que tener en cuenta lo siguiente:• Suelos coherentes: No hay diferencia• Suelos granulares: Se toman los valores correspondientes a

pilotes de extracción, es decir, qs= N (kPa)En el pilote apisonado, aunque el bulbo de la punta influye no se puede cuantificar su aportación


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADORESISTENCIA ESTRUCTURAL:

Las acciones en el pilote pueden llegar a provocar el agotamiento de la capacidad estructural de su sección resistenteEl TOPE ESTRUCTURAL o carga nominal es el valor de cálculo de la capacidad resistente del pilote:

• Se debe comprobar que la solicitación axil sobre cada pilote no supera este tope

• El tope estructural depende de:– La sección transversal del pilote– El tipo de material del pilote– El procedimiento de ejecución– El terreno

• Se obtiene con la siguiente expresión:

la tensión del piloteA el área de la sección transversal

AQTOPE


CÁLCULO DE UN PILOTE AISLADO

RESISTENCIA ESTRUCTURAL:TIPO DE

INSTALACIÓN TIPO DE PILOTE Valores de (MPa)

HINCADOS

Hormigón pretensado o postensado 0,30 (fck-0,9 fp)

Hormigón armado 0,30 fck

Metálicos 0,30 fyk

Madera 5

Tipo de apoyo

SUELO FIRME ROCA

PERFORADOS

Entubados 5 6

Lodos 4 5

En seco 4 5

Barrenados sin control de parámetros 3,5 --

Barrenados con control de parámetros 4 --

Con control de integridad, los perforados +25%


COEFICIENTES DE SEGURIDADTradicionalmente se ha considerado:

Coeficiente de seguridad de 3Trabajando con cargas reales sobre la cimentación, sin mayorar

Otras consideraciones:La resistencia por el fuste se desarrolla enseguida, para asientos de 4-10 mmLa resistencia por la punta requiere deformaciones del orden del 10 al 20% del diámetro del pilote (D)Por tanto, parece lógico adoptar un coeficiente de seguridad diferente para ambos; Skempton recomienda:

• Fs=1,5• Fp=3• Con lo que la carga admisible sería: Qadm= Qp/3 + Qs/1,5• Se considera que esto se adapta mejor a la realidad, trabajando

con pilotes con su resistencia por el fuste agotada


COEFICIENTES DE SEGURIDADCÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN:

Para hundimiento de cimentaciones profundas:No se mayoran/minoran las acciones, ni los materiales:

M = E = F = 1El coeficiente R depende de:

• Tipo de acciones (permanente ó transitoria y extraordinaria)• Método de cálculo

Acciones permanentes o transitorias:• R = 3

– En pilotes se refiere a métodos basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas (largo plazo)

• R = 2– Para métodos basados en fórmulas analíticas (corto plazo),

basados en pruebas de carga hasta rotura y basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de la hinca y contraste con pruebas de carga

Acciones extraordinarias:• R =2






COEFICIENTES DE SEGURIDADNotas a la tabla 2.1:

Coeficientes de seguridad parciales:E = para el efecto de las acciones

F = para las acciones

M = para las propiedades de los materiales

R = de la resistencia


FÓRMULAS DE HINCABuscan la relación entre la carga de hundimiento de un pilote y la resistencia a la penetración inmediatamente antes de detener la hinca:

Durante la hinca del pilote se lleva a cabo un “Registro” en el que se anota la penetración del pilote en cada golpeSuponiendo que la energía que transmite la maza ha de igualarse con la resistencia del pilote, y considerando ésta concentrada en su punta, se obtiene la fórmula de hinca:

• Energía = W * H = Qd * s = ResistenciaDespejando, se obtiene que la carga de rotura dinámica (Qd) es:Qd = W * H / s (Fórmula de Sanders, 1.850)

Como durante la hinca se producen pérdidas de energía (fricción en las guías, deformaciones elásticas del pilote y la maza, etc) para obtener la carga de rotura dinámica hay que modificar las energías empleadas


FÓRMULAS DE HINCA

H

Qr

s

W Maza


HINCA DE PILOTES


FÓRMULAS DE HINCAFÓRMULA DEL ENGINEERING NEWS:

Es similar a la Danesa, pero con =1Además adopta un valor constante para la deformación elástica, en función del tipo de martinete:

• c = 2,5 cm para martinete mecánico• c = 0,25 cm para martinete de vapor

El coeficiente de seguridad adoptado es de 6Mediante esta fórmula obtenemos la penetración del pilote que tenemos que tener para no sobrepasar la tensión admisible de cálculo La que define el “rechazo”

csWH

61

Qa


FÓRMULAS DE HINCAFÓRMULA DANESA:

Tiene en cuenta la eficiencia de la hinca

La raíz es el “acortamiento elástico” que se produce en el piloteEl coeficiente de eficiencia depende del tipo de maza:

• Caída libre con escape: = 1• Caída libre con cabrestante y embrague: = 0,75 - 0,80• Martinete de simple efecto: = 0,75 - 0,80

Coeficiente de seguridad:• El Código Danés recomienda:

– F = 2 para cargas normales– F = 1,8 para cargas extraordinarias

• Terzaghi recomienda F = 3

EALHW2

21s

WHQd


FÓRMULAS DE HINCAFÓRMULA DE JANBU:

Es más refinada, pues tiene en cuenta la influencia en la eficacia dela hinca de la relación entre el peso de la maza (W) y el peso del pilote (Wp):

Donde:

Se adopta F=3

sHW

K1

Qu

d

2

2e

ddu

S

SC21

11CK

W

W15,075,0C p

d

EALHW2

Se

3QQ d

adm


ROZAMIENTO NEGATIVOSe produce rozamiento negativo cuando el asiento del terreno circundante al pilote es mayor que el asiento del pilote

El pilote soporta, además de las acciones de la estructura, parte del peso del terreno y aumenta su carga de compresión

carga

suelocompresible

Deformacióninducida

Zona de rozamiento

negativo

Zona de rozamiento

positivo(“fuste”)


ROZAMIENTO NEGATIVOPosibles causas que lo provocan:

Consolidación por su propio peso de rellenos recientes o posterioresConsolidación de niveles compresibles bajo sobrecargas superficialesVariaciones del nivel freáticoHumectación de niveles colapsablesAsientos de materiales granulares por cargas dinámicas (vibraciones, sismo)Subsidencias por excavaciones o disolución de materiales profundos

Es suficiente una pequeña diferencia de asientos (del orden de 1 cm) para que se produzca rozamiento negativoActúa sobre el fuste, y puede calcularse como:

= 0,25 en arcillas y limos blandos0,1 en arenas flojas0,8 en arenas densas

’vi la tensión efectiva en el punto del fuste consideradoSu efecto se puede reducir notablemente en pilotes prefabricados tratándolo mediante pinturas bituminosas

n

1i

'viineg,sF

TEMA 11 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA-2.009/2.010

TEMA 11: CIMENTACIONES POR PILOTAJE. NOCIONES BÁSICAS DE GRUPOS DE

PILOTES


ÍNDICEINTRODUCCIÓN

EFICACIA DE UN GRUPO DE PILOTES

SEPARACIÓN MÍNIMA ENTRE LOS PILOTES DE UN GRUPO

DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS EN UN GRUPO DE PILOTES

ASIENTO DE UN GRUPO DE PILOTES


INTRODUCCIÓNLos pilotes aislados no resisten bien los esfuerzos horizontalesni los momentos

Empleando “grupos de pilotes” se consigue mayor eficacia para soportar este tipo de acciones

Cuando se emplea un grupo de pilotes, se construye un encepado que los agrupa uniéndolos en cabeza:

Reparte las cargasSe predimensionan como rígidos: Canto de 1,5 veces diámetro de los pilotes

Deben observarse las siguientes reglas:No colocar un pilar importante sobre menos de 3 pilotesNo colocar un muro importante sobre menos de 2 filas de pilotes

En el caso de pilotes hormigonados in situ:D < 0,45 m: No se deben ejecutar pilotes aislados0,45 m < D < 1,00 m: Se pueden realizar pilotes aislados siempre que se arriostren en dos direcciones ortogonalesD > 1,00 m: Se pueden realizar pilotes aislados sin necesidad dearriostramiento, armados para las excentricidades y momentos resultantes


EFICACIA DE UN GRUPO DE PILOTESCuando una serie de pilotes están “cerca” se produce una reducción de la resistencia global por interacción mutua

De esta manera: Rcd-grupo < nº pilotes * Rcd-pilote aislado

Se puede definir el coeficiente de eficiencia como:

Donde:• n es el número de pilotes• Rck es la carga de hundimiento del pilote aislado• Rckg, la carga que produce el hundimiento del grupo

La eficacia aumenta con la separación de pilotes y disminuye con el número

Para grupos de pilotes hincados en arenas flojas, se adopta =1

ck

ckg

Rn

R


EFICACIA DE UN GRUPO DE PILOTESCriterios para estimar la EFICIENCIA:

En general, no se considera el efecto grupo para una separación entre ejes de pilotes igual o mayor a 3 diámetros (3D)A partir de grupos de 4 pilotes, se puede considerar que:

• El coeficiente de eficiencia es igual a 1, para separaciones entre ejes iguales o superiores a 3D

• Para separaciones de 1D el coeficiente de eficiencia es 0,7• Para separaciones 1D-3D se interpola linealmente entre 0,7-1,0• En pilotes hincados en arenas densas o muy densas se podrá

adoptar un coeficiente de eficiencia igual a 1– Podrá aumentarse este valor, previa justificación, por la

posible compactación que se pueda producir, sin que en ningún caso pueda ser superior a 1,3

Para determinar el valor de cálculo de la resistencia al hundimiento del grupo, analizado como una única cimentación que engloba los pilotes, debe utilizarse un coeficiente de seguridad, R, que como mínimo será el del pilote aislado


SEPARACIÓN DE LOS PILOTESLa separación influye en el conjunto:

Condiciona la resistencia del grupo (eficacia)Se prescribe una separación mínima debido al desplazamiento del terreno en la hinca, que puede mover y levantar un pilote próximoUna separación excesiva provoca unas necesidades de armado importantes en los encepados, encareciéndolosLa separación debe ser mayor cuanto mayor sea la resistencia por el fuste (evitar la pérdida de eficacia)

Criterios para fijar la separación:En pilotes de punta apoyados en roca o arena densa:

• Smin=2 * D (mínimo 60 cm)En pilotes por fuste (flotantes) en arcillas:

• Smin=3 * D (mínimo 90 cm)Por la necesidad de controlar la inclinación:

• Smin L / 15– siendo L la longitud de los pilotes

D

S


DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOSEn un grupo de pilotes, para cada combinación de acciones se debe realizar un reparto de cargas entre los pilotes del grupo

Este reparto depende de la naturaleza del terreno y de la rigidez de los pilotes y del encepado.

Si el encepado que une los pilotes es suficientemente rígido, bastará con considerar la distribución de cargas que se obtiene al suponer que los pilotes están articulados en cabeza y que el encepado es infinitamente rígido:


DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS

Para n pilotes iguales:Siendo (xp , yp) las coordenadas de excentricidad de la carga 2

i

ip2i

ipi

y

yy

x

xx

n1

VN


ASIENTO DE PILOTESASIENTOS DEL PILOTE AISLADO (CTE):

Se supone que el asiento de un pilote aislado bajo carga vertical es igual al máximo admisible por razones de hundimiento: El 1% de su diámetro, más el acortamiento elástico del piloteEl asiento del pilote individual aislado (si), se estima como:

• P = carga sobre la cabeza• l1 = longitud del pilote fuera del terreno• l2 = longitud del pilote dentro del terreno• A = área de la sección transversal del pilote• E = módulo de elasticidad del pilote

= parámetro según el tipo de transmisión de cargas al terreno=1 para pilotes que trabajan principalmente por punta=0,5 para pilotes flotantes

Para situaciones intermedias:

PEAR40

Ds 21

cki

pkfkck

RR5,0R1


ASIENTO DE PILOTESASIENTOS DEL GRUPO DE PILOTES (CTE):

En los grupos de pilotes, debido a la interferencia de las cargas, el asiento de cada pilote puede ser mayorPara tenerlo en cuenta, se adoptan las siguientes simplificaciones:

• Para pilotes columna por punta en roca, separados más de tres diámetros, el efecto grupo se considera despreciable

• Para otras situaciones, se supone que toda la carga del grupo está uniformemente repartida en un plano situado a la profundidad bajo la superficie del terreno:

• Con unas dimensiones transversales B1* L1 dadas por:B1 = Bgrupo + (1 - ) * l2L1 = Lgrupo + (1 - ) * l2siendo Bgrupo y Lgrupo las dimensiones del grupo, formado por

planos exteriores tangentes a los pilotes externos del grupo• El cálculo del asiento se estima entonces como el de las

cimentaciones directas

2z


TEMA 12: CIMENTACIONES EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS: EXPANSIVOS Y

COLAPSABLES


ÍNDICELA SUCCIÓN

EXPANSIVIDAD:SUELOS EXPANSIVOSINFLUENCIA DEL CLIMACAPA ACTIVACAUSAS LOCALESCÁLCULO DE MOVIMIENTOSTIPOS DE CIMENTACIÓN RECOMENDABLES

SUELOS COLAPSABLES


INTRODUCCIÓNLos suelos experimentan variaciones de volumen como consecuencia de cambios en su contenido de humedadCuando un suelo parcialmente saturado bajo carga, sufre un aumento de humedad, puede ocurrir:

Un asiento adicional: COLAPSOUn aumento de volumen: EXPANSIVIDAD

Como consecuencia de ello, aparecen dos tipos de suelos:

Suelos expansivos (en general las arcillas)Suelos colapsables (con más frecuencia los limos)

Estos fenómenos se producen por encima del nivel freáticoLas arcillas expansivas son un fenómeno muy típico en España (también en Tejas, Sudamérica, Australia, Israel, República de Sudáfrica, La India, Canadá, etc)Un suelo colapsable típico es el loess, y en España los limos yesíferos


TENSIÓN SUPERFICIALEn un suelo parcialmente saturado:

El agua aparece en la forma de meniscos entre los granos de sueloEl agua situada en el interior del menisco se encuentra a presión inferior a la atmosféricaEl menisco se puede asimilar a un globo cuya presión interior es superior a la exteriorLa diferencia de presiones en el globo es:

• p = 2 s/R• s es la tensión superficial del agua,

una constante que depende sólo de la temperatura

El grado de saturación y la humedad disminuyen al disminuir el radio del menisco (y por tanto al aumentar p)


PRESIÓN CAPILAR Y SUCCIÓNLa succión es la diferencia entre la presión del aire (ua) y la del agua (uw) en un suelo ( p en la diapositiva anterior):

s = ua-uw

Al aumentar la succión disminuye la humedad del sueloEl pF de un suelo es el logaritmo en base 10 de la succión expresada en centímetros de agua:

El valor máximo medido del pF es del orden de 7, y corresponde a una arcilla desecada a 110ºC

El agua por encima del nivel freático está a una presión (uw)inferior a la atmosférica (ua), por lo que la succión es negativa

La presión del aire suele ser cero (atmosférica) en cimentaciones, por lo que la succión ( positiva) es la presión del agua, que suele ser negativa en suelos parcialmente saturados, cambiada de signo

Al saturar un suelo en el edómetro, la presión del agua y la succión ambos se anulan

w

wa10

uulogpF


EL FENÓMENO DE LA EXPANSIVIDADEs una conjugación de:

Terreno arcillosoCondiciones climáticas que inducen cambios de humedadCausas locales provocadas por las construcciones

La construcción de un edificio:Reduce la influencia ambiental en la zona cubierta: Limita la evaporación y evita la infiltraciónEstablece diferencias con los alrededores, sí expuestosEsto puede dar lugar a un hinchamiento (a veces retracción) unidireccional

La expansividad induce daños en las estructuras de manera generalizada presentando fisuras asociadas a movimientos diferenciales:

Verticales: Por cambios diferentes de humedad en distintas zonasde la construcción, en general mayores en la zona centralHorizontales: Menos descritos (muros, estructuras largas, etc)


MAPA PREVISOR DE ARC. EXPANSIVAS


SUELOS EXPANSIVOSLos suelos arcillosos experimentan variaciones de volumen como consecuencia de los cambios de humedad:

Un aumento de humedad produce una reducción en la succiónComo consecuencia de ello se reducen las tensiones efectivas y se producen aumentos de volumenPor el contrario, una disminución de la humedad produce un aumento de la succión, de la presión efectiva y reducción del volumen

La expansividad de una arcilla depende de:La proporción de partículas inferiores a 2 mLa actividad de la especie mineralógica (la montmorillonita es la más peligrosa)

Cuantificación de la expansividad:Métodos indirectos: Proporción de finos, plasticidad, límite de retracciónMétodos directos:

• Ensayos sobre muestras alteradas: Hinchamiento Lambe• Ensayos de muestras inalteradas en el edómetro


SUELOS EXPANSIVOSCLASIFICACIONES INDIRECTAS:

Holtz y Gibbs recomiendan basarse en varios parámetros:

Índice de plasticidad 0 - 15 10 - 35 20 - 55 > 35

Potencial de hinchamiento Bajo Medio Alto Muy alto

Límite de retracción > 12 10 - 12 < 10

Peligro de hinchamiento Bajo Medio Alto

% 0,001 mm < 15 13 - 23 20 - 30 > 28

Peligro de hinchamiento Bajo Medio Alto Muy alto


SUELOS EXPANSIVOSCLASIFICACIONES INDIRECTAS:

Criterio de Seed, Woodward y Lundgren para calificar el potencial de hinchamiento de una arcilla (fig. 5.17 pág 558 Geotecnia y Cimientos III)Definen la actividad, que pretende considerar la especie mineralógica de los finos:

m2%dplasticidadeÍndice

Actividad


SUELOS EXPANSIVOSENSAYO HINCHAMIENTO LAMBE (UNE 103600:1996):

Es un ensayo rápido (2 horas) sobre muestras amasadasSe establecen cuatro categorías dependiendo del CPVNo sirve para cuantificar o calcular

Cambio potencial de volumen Categoría

< 2 No crítico

2 – 4 Marginal

4 – 6 Crítico

6 - 8 Muy crítico

RELACIÓN ENTRE EL ÍNDICE DE HINCHAMIENTO Y EL CAMBIO POTENCIAL DE VOLUMEN (ENSAYO

DE LAMBE)

00,020,040,060,08

0,10,120,140,160,18

0,20,220,240,260,28

0,30,320,340,360,38

0,4

0 2 4 6 8

CAMBIO POTENCIAL DE VOLUMEN

ÍND

ICE

DE

HIN

CH

AM

IEN

TO (M

pa)


SUELOS EXPANSIVOSAPARATO DE LAMBE


SUELOS EXPANSIVOSENSAYOS EN EDÓMETRO:

Sobre muestras inalteradasHINCHAMIENTO LIBRE (UNE 103601:1996):

• El hinchamiento libre se expresa como porcentaje, y es la relación entre el incremento de altura y la altura inicial al inundar un suelo bajo 10 kPa

• Son valores reducidos los inferiores al 1,5% y elevados los superiores al 5%

PRESIÓN DE HINCHAMIENTO (UNE 103602:1996):• Es la presión vertical que hay que ejercer para que no varíe la

altura de la muestra al inundarla• Se consideran reducidas presiones del orden de 100 kPa

100hh

libretoHinchamien0


SUELOS EXPANSIVOSENSAYO DE INUNDACIÓN BAJO CARGA:

Se realiza un ensayo edométrico sobre una muestra con su humedad natural: Se dibuja la curva presión-deformaciónMuestras diferentes se someten a presiones distintas y se dibuja la curva presión-deformación finalCon ello se tienen dos curvas:

• La del suelo cargado, parcialmente saturado, o curva de humedad natural;

• La del suelo inundado, o curva de inundación bajo cargaEstas curvas se cortan en un punto que llamaremos presión de hinchamiento del ensayo de inundación bajo carga:

• A esa presión ni colapsa ni expande al aumentar su humedad• Por encima de esa presión se comporta como colapsable• Por debajo de esa presión se comporta como expansivo

Este ensayo ilustra que un suelo puede ser expansivo o colapsable en función de la presión a que está sometidoPara los intervalos normales de carga se pueden simplificar la curva de inundación bajo carga, asimilándola a una recta: Basta ensayar dos muestras a 10-20 y 100-200 kPa


SUELOS EXPANSIVOSENSAYO DE INUNDACIÓN BAJO CARGA EN SUELOS PARCIALMENTE

SATURADOS

Inundación

Curva de humedad natural

Curva de inundación bajo carga

Zona de hinchamiento Zona de colapso

Presión de hinchamiento

-0,200

-0,150

-0,100

-0,050

0,000

0,050

0,10 1,00 10,00

PRESIONES

DE

FOR

MA

CIÓ

N


INFLUENCIA DEL CLIMADesde el punto de vista de la expansividad hay dos tipos de clima especialmente propicios:

Clima monzónico• Las lluvias se producen predominantemente en verano, cuando la

evaporación es a su vez mayor• Las variaciones estacionales de humedad en el suelo son pequeñas• Al construir un edificio se produce un hinchamiento generalizado ya que,

al limitarse la evaporación, aumenta progresivamente la humedad • El hinchamiento es mayor en el centro y menor en los bordes y

esquinas, produciendo distorsiones que dan lugar a fisurasClima mediterráneo:

• Las oscilaciones estacionales del nivel freático son importantes, ya que las lluvias ocurren en invierno y la mayor evaporación en verano

• Al construir un edificio, el centro tiende a una “humedad de equilibrio”, pero los bordes y esquinas siguen sufriendo cambios en cada estación

• El movimiento medio en el centro depende de la época de construcción (humedad inicial)

• Los efectos suelen aparecer al cabo de varios años• Es el característico de gran parte de España


INFLUENCIA DEL CLIMASe puede calificar la influencia del clima mediante el ÍNDICE DE THORNTHWAITE:

Sencillo de obtener con los datos de las estaciones meteorológicasSe basa en un “balance de humedad” de una zona:

• El cambio de humedad ( W) en un perfil de suelo es:W = P – E - D

P = Precipitación en mmE = Evapotranspiración (mm), ocurre a través de las plantasD = Drenaje a otras áreas o capas más profundas (en

principio 0 en arcillas expansivas)• La diferencia (P-E) puede ser positiva o negativa

La capacidad de almacenamiento de agua en un suelo es limitada yse denomina “capacidad de campo”, C, en mm:

• Si se excede, hay escorrentía, no aumento de agua almacenada • El método de Thornthwaite la supone constante:

C=100 mm = 0,1 m3/m2


INFLUENCIA DEL CLIMAMÉTODO DE THORNTHWAITE:

La diferencia (P-E) se compara con la capacidad de campoSi (P-E)>0 y se supera la capacidad de campo, se produce drenaje:

D = P – E - CCuando la diferencia es negativa y superior a C existe un déficit:

d = E – P – C • El déficit de humedad es la diferencia entre la evaporación y la

precipitación una vez que se ha agotado la capacidad de campoDado que E es difícil de estimar se suele adoptar:

Ep = Evapotranspiración potencial• Es la cantidad de agua que será devuelta a la atmósfera si tanto

el suelo como la vegetación de un determinado clima se alimentan continuamente con agua libre

El ÍNDICE DE THORNTHWAITE evalúa la disponibilidad de humedad que durante el período de un año tiene la capa superior del terreno:

Epd60D100

I


INFLUENCIA DEL CLIMA

MÉTODO DE THORNTHWAITE:

Justo y Cuéllar elaboraron un Mapa de España con curvas de igual valor de índice de Thornthwaite:

La mayoría de las zonas en que se presenta el fenómeno de arcillas expansivas tiene índice negativo:

• Las áreas donde los daños son más graves están en la zona de clima sub-húmedo a semiárido, con índices entre +10 y -40

– Cambios estacionales fuertes– Córdoba, Sevilla, Málaga, Jaén, Madrid, Toledo, Cádiz,

Huelva, Extremadura tiene clima entre sub-húmedo y semiárido

– Tenerife, Gran Canaria y Almería tienen clima árido

Clima Perhúmedo Húmedo Subhúmedo Seco-subhúmedo Semiárido Árido

Índice de Thornthwaite > 100 100 a 20 20 a 0 0 a -20 -20 a -40 < -40



INFLUENCIA DEL CLIMADentro del clima mediterráneo existen tres variedades:

Clima árido, con precipitación media inferior a 250 mm: Zona costera de Almería y Murcia, Gran Canarias, Fuerteventura y LanzaroteClima húmedo (precipitación >1.000 mm): En general el norte de EspañaClima semiárido, intermedio entre los dos anteriores; es el más peligroso desde el punto de vista de la expansividad

Al construir un edificio o un pavimento se limita la evaporación mientras que la precipitación sigue accediendo lateralmente:

En un clima árido no hay drenaje, sólo déficit de humedad• El suelo está siempre seco; cuando llueve el agua comienza a rellenar la

capacidad de campo• Los movimientos serán pequeños, pues apenas se cambia la humedad

por la construcciónEn clima húmedo hay drenaje casi todo el año y poca variación estacional:

• La construcción tampoco afecta al nivel de humedad Los climas semiáridos son los más sensibles, ya que existe déficit y drenaje según los meses del año:

• Las variaciones de humedad naturales son altas• Bajo la construcción se alcanza una humedad de equilibrio• Se producen oscilaciones desde el exterior de la zona cubierta


CAPA ACTIVALa permeabilidad de un suelo desecado en relación al gradiente de succión es escasa

Por ello, las variaciones estacionales tiene una penetración limitada en el terreno:

No debería se mayor a 1 – 1,5 metrosPero las grietas aumentan la “profundidad activa” hasta 2-4 metros

Este aspecto es fundamental para diseñar la cimentaciónDefine el alcance de la zona de riesgoCuantifica el fenómeno

La capa activa puede alcanzar en zonas especiales hasta 5 m


CAUSAS LOCALESCausas locales que influyen en la expansividad:

Cercanía de plantaciones:• Crecimiento de árboles:

– Los árboles desecan el suelo, por lo que no deben plantarse a una distancia del edificio inferior a su altura prevista

– Presentan problemas para diámetros mayores de 25 cm– Los árboles de hoja caduca absorben mucha humedad– Los pinos son dañinos por la tipología de sus raíces

• Tala de árboles:– Generan problemas de hinchamiento a largo plazo (hasta

20 años), pues el terreno pasa a humedecerse• Los riegos de zonas verdes, fugas de piscinas, etc:

– Influyen en la humedad en zonas de viviendas unifamiliares, propensas por las bajas cargas que trasmiten

– No afecta mucho a la capa activa, salvo en climas áridosLas fugas en conducciones agravan el fenómeno de la expansividad:

• Provocan los cambios de humedad• Tienen efecto multiplicador: Se rompen por los movimientos y

aumentan las fugas


INFLUENCIA DE LOS ÁRBOLES


SOLUCIONES CONSTRUCTIVASPara el proyecto de la cimentación es preciso conocer:

Profundidad de la capa activaVariaciones de humedadLa previsión de levantamiento del terreno y su dependencia con las presiones totales que sobre el mismo se apliquenSu módulo de deformación, para calcular los asientos

Para resolver esta situación puede actuarse:Adecuando el diseño de la cimentación y la estructuraModificando el terreno

Las plantas bajas nunca deben apoyarse directamente en el terreno (forjado sanitario)

Las excavaciones se mantendrán abiertas el mínimo tiempo posible y no inundarse por lluvia

Es preciso adoptar medidas preventivas en el entorno de la construcción (pavimentos, urbanización, etc)


SOLUCIONES CONSTRUCTIVASACTUACIONES SOBRE LA ESTRUCTURA:

Cimentar bajo la capa activa:• Pilotes:

– Es una solución cara: Edificios sensibles o altos movimientos

– Se puede reducir parcialmente el rozamiento– Necesitan armadura en la zona activa– Deben estar suficientemente anclados para resistir los

esfuerzos de levantamiento– La arcilla puede inducir empujes laterales en los pilotes

• Pozos de cimentación:– Permiten superar la zona activa– Aumentan la presión por el peso del pozo– Combinados con un forjado sanitario son la mejor solución

Proyectar un estructura adecuada:• Muy rígida: Requiere reforzar muros y paños; se producen

tensiones desiguales en el terreno• Flexible: Permitir los movimientos


SOLUCIONES CONSTRUCTIVASACTUACIONES SOBRE LA ESTRUCTURA:

Cimentación flotante:• Si se emplea losa hay que conseguir la rigidez adecuada:

– En la propia cimentación (losa de canto adecuado o rigidizada)

– En el conjunto cimentación estructura: Requiere nervios de atado en muros y forjados

• La distribución de presiones no es conocida• Condiciona mucho el diseño• Precisa fuertes armados

Cimentar con carga adecuada:• Se cuantifica la expansividad• Se pueden emplear elementos aislado con una presión

trasmitida igual a la de hinchamiento nulo• Hay que comprobar los asientos y riesgo de hundimiento• Hay que dejar espacios bajo riostras y soleras para evitar el

empuje del terreno sobre estos elementosTEMA 12 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVASACTUACIONES SOBRE EL TERRENO:

Aislamiento, alejando la zona de cambios estacionales:• Cubrir el perímetro con aceras:

– De anchura 1,5 veces el espesor de la capa activa– Que no se fisuren– Impermeabilizadas y con pendiente al exterior

• Pavimentación de la máxima superficie: Plazas, patios, etc.• Disponer drenaje superficial adecuado para evitar que las

escorrentías se infiltren (pendientes, imbornales, etc)• Colocar un drenaje profundo para estabilizar la humedad:

– Mediante zanjas perimetrales rellenos de material granular– Alejadas de la cimentación

Sustitución: Válido para espesores pequeñosEstabilización:

• La cal reduce la expansividad de las arcillas (terraplenes)• En terreno natural sería preciso aplicarla por inyección (costoso)


CÁLCULO DE MOVIMIENTOSEl método más adecuado para el cálculo de movimientos verticales es el MÉTODO DIRECTO:

Empleado por el Cuerpo de Ingenieros de la Armada (USA)Se parte de muestras inalteradas en sondeos a intervalosSe cargan las muestras a presión de trabajo (sobrecarga más peso del edificio)Se añade aguaSe calcula el hinchamiento en porcentaje del espesor de la muestraSe representa el porcentaje de hinchamiento en relación a la profundidadSe calcula el hinchamiento como el área limitada por la curva


CÁLCULO DE MOVIMIENTOSEJEMPLO MÉTODO DIRECTO:

Cota cimentación: 0,5 mCapa activa 3,6 mEnsayos hinchamiento:

• 0,5 m: 2,6 %• 2,0 m:1,7 %• 3,6 m: 0

PR

OFU

ND

IDA

D (

m)

43

21

0

HINCHAMIENTO (%)1 2 3 4 5

6,1100

7,121

5,11002

7,16,2Hinch

cm6,4m0459,0Hinch


PILOTES EN ARCILLAS EXPANSIVAS

F=fuerza de levantamiento

r = radio del pilote

D= Longitud del pilote

d= profundidad de la zona no afectada por variaciones de humedad

f= coeficiente de adherencia entre terreno y pilote (0,15 según Chen)

Q=fuerza que se opone al levantamiento

s=adherencia entre terreno y pilote en la zona no activa.

RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE

(kPa)

ADHERENCIA s (kPa)

100-200 40 200-400 50

>400 60


SOLUCIONES CONSTRUCTIVASINVESTIGACIÓN DE PATOLOGÍAS ASOCIADAS (I):

Investigar otros síntomas en las cercanías:• Daños en edificios cercanos• Pavimentaciones, muros de cerramiento• Aspecto del terreno desnudo

Detectar la fuente de aportación del agua:• Atmosférica o extraordinaria (colectores,

escorrentías, riegos, etc.)• Propia o externa

Analizar la evolución del fenómeno en el tiempo:• Al menos un ciclo estacional• Controlar puntos asociados directamente al movimiento del

terrenoDiscriminar el efecto sobre elementos estructurales y accesorios:

• Soleras directamente apoyadas• Muros y elementos lineales cimentados directamente• Pilares• Tabiques y divisiones


SOLUCIONES CONSTRUCTIVASINVESTIGACIÓN DE PATOLOGÍAS ASOCIADAS (y II):

Analizar posibles movimientos diferenciales entre bordes y zonas interioresVerificar las cargas que trasmiten los elementos:

• Cargas permanentes• Cargas de uso

Realizar un análisis cuidado y exhaustivo del material en la capa activa:

• Toma de muestras en seco• Realizar un perfil de muestreo de humedades• Comparar zonas de borde con exteriores e interiores• Ensayos de inundación bajo carga con humedades y presiones

representativas:– Estado anterior– Asiento sin saturación bajo carga permanente– Saturación


EL FENÓMENO DEL COLAPSOCOLAPSO: Disminución rápida de volumen del suelo, producida por cambios de cualquiera de los siguientes factores:

Contenido de humedad (w) y/o Grado de saturación (Sr)Tensión media actuante ( ) y/o Tensión de corte ( )Presión de poros (u)Interacción química

Tipos de colapso:Se produce un rápido cambio de la relación entre presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia última del material:

• La causa del colapso es únicamente el cambio de las presiones efectivas• Limos o arcillas cementadas y las rocas de gran porosidad• A humedad constante, se detecta una reducción de su módulo de

compresibilidad al alcanzar un cierto valor las presiones efectivasSe produce sin cambio abrupto en la relación presión-deformación:

• Loess y algunas arcillas que contienen sulfatos• A humedad constante, la relación tensión-deformaciones es suave• La saturación produce un importante cambio volumétrico, debido

probablemente a un incremento de la presión de los poros


EL FENÓMENO DEL COLAPSONos centraremos en los suelos en los que el colapso de la estructura del suelo es provocado por un agente externo, el incremento del contenido de humedad, que provoca una brusca disminución de volumen, sin necesidad de un aumento en la presión aplicada

PROPIEDADES DE LOS SUELOS COLAPSABLES:Estructura macroporosa, con índice de huecos (e) alto a muy altoGranulometría fina, con predominio de limos y de arcillaTamaño de los granos generalmente poco distribuido y con los granos más grandes escasamente meteorizadosUsualmente la fracción arcillosa es relativamente escasaEstructura “mal acomodada”, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por "puentes" de material arcillosoEn ocasiones existen cristales de sales solubles en tales unionesSu grado de saturación es inferior a un valor crítico (40-60% en suelos granulares y 85 % en arcillas)


EL FENÓMENO DEL COLAPSOMECANISMO DEL COLAPSO EN LOS SUELOS LIMOSOS:

Las uniones entre granos son contactos reales que se deben a fuerzas gravitacionales, exteriores o capilaresEn los suelos parcialmente saturados la presencia de agua “traccionada” en los meniscos hace que la presión intersticial o de poros (u) sea negativaEsto origina un aumento de la presión efectiva ( ’= -u) que une un grano con otro, por lo que los granos oponen mayorresistencia al deslizamiento ( =c+ .tg )Si en este estado el suelo se satura, la presión efectiva disminuirá y con ella la resistencia al corte, pudiendo provocar un deslizamiento relativo entre los granos del sueloEn estructuras macroporosas, este deslizamiento se manifiesta enuna importante disminución de volumen


EL FENÓMENO DEL COLAPSOMECANISMO DEL COLAPSO EN SUELOS ARCILLOSOS:

Las partículas se atraen o repelen en función de:• Fuerzas eléctricas de repulsión debidas a la carga negativa

de sus caras, equilibrada por los cationes disueltos en la capa doble

• Enlaces secundarios de atracción (fuerzas de Van der Waals)

Durante un proceso de saturación se produce:• Disminución de fuerzas capilares (como en los limos)• Reducción de la concentración en iones de la capa doble

por aumento del disolvente, que produce una separación de las partículas (dispersión)

• Se altera el equilibrio de fuerzas de atracción-repulsión• Se ponen en contacto caras con diferentes cargas y se acentúa

la repulsión• Se alcanza una estructura dispersa y menos resistente


SUELOS COLAPSABLESMÉTODOS INDIRECTOS DE IDENTIFICACIÓN:

Se suelen identificar por su baja densidad secaUn criterio admitido es el de Gibbs (1961):

• Un suelo es susceptible al colapso si tiene un índices de poros (eo) tan alto que permite que su contenido en agua exceda su límite líquido (wL):

wsaturado wL

• Para un suelo saturado el índice de poros vale:

eo= w * s

• Suponiendo un peso específico de las partículas sólidas s de 26,5 kN/m3

• La condición de colapsabilidad se traduce en:

sL

ws

o

wsd w1e1


SUELOS COLAPSABLESENSAYO DE COLAPSO EN SUELOS (NLT-254/99):

Mide la disminución de altura que experimenta una probeta en el edómetro sometida a una presión vertical, al ser inundadaSe emplean presiones del orden de 200 kPaPotencial porcentual de colapso:

d = lecturas del medidor al iniciar el ensayo (do), cargado antes de inundar (di) y al final del ensayo (df)

ho altura inicial de la probetaeo = índice de poros inicial

Valores orientativos:

100e1e100

hdd

Ioo

ifc

Potencial de colapso Severidad del problema

< 1 % No hay riesgo

1 – 5 % Problema moderado

5 – 10 % Problema

10 – 20 % Problema severo

> 20 % Problema muy severo


TERRENOS COLAPSABLESExiste otra serie de riesgos asociadas al colapso que no responden al patrón de suelos parcialmente saturados descritos:

Disolución de suelos yesíferosDeformación de rellenos deficientemente compactadosLicuefacción ante sismosSubsidiencias por excavaciones subterráneas


TERRENOS COLAPSABLESTienen una estructura abierta, pero rigidizada por las tensionescapilares, que se mantiene estable hasta que por la humectación o inundación desaparecen las tensiones capilares y la estructura “colapsa”

Se producen con grados de saturación inferiores a un valor crítico• 40 al 60% en suelos granulares• 85 % en arcillas

Es importante en suelos de estructura “floja” (limos)Suele ocurrir en suelos compactados del lado secoSe explica:

• En suelos granulares por la pérdida de resistencia de los granos, como consecuencia de la disminución de la succión en las fisuras

• En suelos cohesivos por la disminución de la succión entre granos

Se suelen caracterizar por una baja densidad

Cualquier suelo excavado y mal recompactado puede ser colapsable

Algunas arcillas expansivas también son colapsables bajo altas presiones


SOLUCIONES CONSTRUCTIVASTRATAMIENTO DEL SUELO:

Mejora de los suelos:• Compactación dinámica o mediante explosiones• Hidrocompactación por saturación del terreno• Creación de nuevos enlaces o cohesión mediante agentes

químicos (cemento, cal, emulsiones asfálticas, sales, etc.)

DISEÑO ESPECÍFICO DE ESTRUCTURAS:Que eliminen o disminuyan la posibilidad de que se produzca colapsoQue sean insensibles a los fenómenos del colapso

MEDIDAS CONSTRUCTIVAS COMPLEMENTARIAS:Evitar confluencia de escorrentías en la parcelaEvitar acumulaciones y embalses de aguaCanalizar los conductos de agua de las construcciones (desagües, saneamiento, etc.Impermeabilización superficial (pavimentación)

Mecánica de suelos y cimentaciones

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