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Ingeniería Civil

Cimentaciones Tópico: Cimentaciones Superficiales

Prof. José Luis Rodriguez Brochero [email protected]

Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Contenido de la clase 1. Requisitos básicos de un diseño de cimentaciones 2. Etapas de solución de un diseño de cimentaciones 3. Criterios para la selección del tipo de cimentación 4. Dimensionamiento geométrico 5. Capacidad de carga de cimentaciones superficiales

6. Pruebas de carga

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Ingeniería Civil

Ingeniería Civil

Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Requisitos de un diseño de Cimentaciones Requisitos básicos

Deformaciones excesivas

colapso del suelo

Deslizamiento

Volcamiento

3

Colapso de los elementos estructurales

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Etapas de solución de un problema de cimentación 1

2

3

Determinación de las cargas

Investigación do subsuelo

Análisis critica

Niveles de carga Tipo de carga Actuación de la carga

Preliminar

Complementar

Conocimient o de la mec. de suelos Normas y códigos Factor económicoplazos

4 Diseño Selección del tipo de cimentación

Dimensionamiento Especificaciones constructivas

Experiencias anteriores Equipo disponible

4

Cimentaciones de construcciones vecinas

5 Ejecución

6 Refuerzo de la cimentación

Interventoría

Solución inconveniente

Realización de ensayos

Alteración de las cargas de diseño

Control de comportamiento

Problemas de ejecución

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Criterios para selección del tipo de cimentación Menor c0sto y Menor plazo de ejecución

Carga

N

Terraplén h

Arcilla blanda Areia media a densa

5

Carga

N

Terraplén 6m

h

Arena media Roca

Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

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Criterios para selección del tipo de cimentación Posibilidades de cimentación

Condiciones del subsuelo

Estructuras leves, Flexibles

Estructuras pesadas, rígidas

Capa resistente a pequeña profundidad.

1.

Zapatas o bloques

1. 2.

Zapatas o bloques Losa de cimentación

Capa compresible de gran espesor

1.

Zapatas en suelo no cohesivo previamente compactado Losa de cimentación superficial Pilotes fluctuantes

1. 2. 3.

Losa de cimentación profunda Pilotes largos Pilotes flotantes

1. 2.

Pilotes de punta o Caissons Losa de cimentación profunda

3.

Pilotes de punta Zapatas o bloques en suelo no cohesivo previamente compactado o en suelo pre-cargado Losa de cimentación superficial

1. 2.

Zapatas o bloques Losa de cimentación superficial

1.

Losa de cimentación profunda (cimentación flotante) Pilotes largos o Caissons atravesando capas de baja resistencia

2. 3. Capas de baja resistencia sobrepuesta a una capa resistente

Capa resistente sobrepuesta a una capa de baja resistencia

1. 2.

2.

6

Capas de baja resistencia alternadas con capas resistentes

1. 2.

Zapatas o bloques Losa de cimentación superficial

1. 2.

Losa de cimentación profunda Pilotes o Caissons con apoyo en una capa de suelo resistente

Sugerencias para la selección del tipo de cimentación (Goodman e Karol)

Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

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Dimensionamiento geométrico Criterios adicionales Clasificación en relación a la rigidez

α ≤ 30° (ángulo do talud natural do concreto fresco – no es obligatorio).

• con: h = altura de la zapata ; • A = dimensión (lado) de la zapata en dirección determinada; • ap = dimensión de la columna en la dirección del lado A. La clasificación de la rigidez debe ser verificada en las dos direcciones de la zapata

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Dimensionamiento geométrico Clasificación en relación a la rigidez Distribución de esfuerzos en el suelo Las principales variables que afectan la distribución de esfuerzos son: • • • •

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Características de las cargas aplicadas; Rigidez relativa cimentación-solo; propiedades del suelo; Intensidad de las cargas.

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

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Dimensionamiento geométrico Cargas centradas esfuerzos transmitidos < esfuerzo admisible de suelos de apoyo (zapatas aisladas) El dimensionamiento económico será aquel que conduzca a momentos aproximadamente iguales en las dos extremos, en relación a la mesa de la zapata.

A

P

 adm

BL

L B  l b B

bl 2

A

1 l  b 2 4

OBS: Normalmente las dimensiones de las zapatas son arredondeadas para variar de 5 en 5cm. La dimensión mínima de una zapata es de 60cm.

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Dimensionamiento geométrico Cargas excéntricas  cuando estuviese sometida a cualquier composición de fuerzas que incluyan o generen momentos en la cimentación.  Se debe considerar que 0 solo es un material que no resiste a esfuerzos de tracción.

B L2 M Pe W 6 P M   A W P M  min   A W P M  max   A W

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

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Dimensionamiento geométrico

Viga de enlace o de equilibrio: elemento estructural que recibe las cargas de uno o dos columnas (o puntos de carga) y es dimensionado de modo a transmitirlas centradas a las cimentaciones.

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Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Fase Elástica (Asentamientos elásticos)

Fase Plástica (Asentamientos plásticos) Para cargas mayores que un determinado valor critico, ocurre un proceso de asentamiento continuo. Ruptura do suelo La velocidad de asentamiento crece continuamente hasta que ocurre la ruptura del suelo. Comportamiento de una zapata sobre carga vertical

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Mecanismo de ruptura, en función de las características del suelo 

Superficie de deslizamiento continua



Ruptura repentina



Carga de ruptura bien definida.



Protuberancias en la superficie



Volcamiento de la cimentación.



caso intermedio entre ruptura general y por punzonamiento



Con grandes deformaciones verticales, la superficie de rotura aparece en la superficie del terreno.



Cimentación tiende a hundirse significativamente



El suelo externo a el área cargada no es afectado.



Existe equilibrio vertical y horizontal de la cimentación.

13 habitual en cimentaciones profundas. 

Condiciones en que ocurre ruptura, en arenas (Vesic, 1963)

Ruptura General

Ruptura Localizada

Ruptura por punzonamiento D= profundidad de localización de la zapata Comportamiento de una zapata sobre carga vertical

B= ancho de la cimentación

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Mecanismo de ruptura, en función de las características del suelo

Lopes (1979) propuso el análisis de campo de asentamientos para distinguir el modo de ruptura para arenas y para arcillas. Los factores que afectan el modo de ruptura son: Propiedades del suelo (relación rigidez/Resistencia)  Cuanto mas rígido, mas próxima de la ruptura general Geometría de la carga – Profundidad relativa (D/B)  Cuanto mayor D/B, mas próxima de la ruptura por punzonamiento

P D B

Geometría de la carga – Geometría en planta (L/B)  No parece haber una tendencia clara Esfuerzos iniciales  Cuanto mayor el coeficiente de empuje inicial K0, mas próxima de la ruptura general

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Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Mecanismo de ruptura, en función de la excentricidad y de la inclinación de la carga

esfuerzo de contacto

Asentamientos

Mecanismos de ruptura

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Método de Terzaghi (1967)

P

D

q=D

B

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Método de Terzaghi (1967)

 rup  c * N c * S c  q * N q * S q  Cohesión

Sobrecarga

Donde: c= cohesión del suelo de cimentación q= sobrecarga del suelo encima de la zapata B= Ancho de la zapata γ= peso especifico del suelo de Cimentación Nc, Nq, Nγ son factores de capacidad de carga Sc, Sq, Sγ son factores de forma

Factores de Forma (Terzaghi)

1 * B * N  * S 2 Fricción P q=D

D B

Factores de Capacidad de Carga

N q  etg tg 2 (45   / 2) N c  ( N q  1) cot g ( ) N   1.5( N q  1)tg ( )

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Segun Vécic

N   2( N q  1)tg ( )

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Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Formula Generalizada Brinch-Hansen (1970) 1  rup  S c * ic * d c * bc * g c * c * N c  S q * I q * d q * bq * g q *  * D * N q  S * i * d * b * g * *  * B * N 2 Cohesión

Donde: S = factor de Forma i = factor de inclinación de carga d = factores de profundidad b = factores de inclinada de la cimentación g = factores inclinación del terreno

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Sobrecarga

Fricción

Fatores de Forma “S” (De Beer, 1967)

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Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Formula Generalizada Hansen (1970) Factores de inclinación de carga “i”

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Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Formula Generalizada Hansen (1970) Fatores de inclinação de carga “i” H = componente en la horizontal de la carga inclinada; V = componente en la vertical de la carga inclinada; A’ = B’ L’ = área reducida; B’ = B – 2ex; L’ = L – 2ey; Donde: ex = excentricidad en x; ey = excentricidad en y;

Carga aplicada en el centro geométrico de la figura

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Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Formula Generalizada Hansen (1970) Factor de Inclinación de la base de la cimentación “b” Factor de Profundidad “d”

q=γ*D*cosω

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Capacidad de carga de cimentaciones superficiales Formula Generalizada Hansen (1970) Factor de Inclinación del Terreno “g”

Factor de seguridad por deslizamiento

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Asentamientos

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Asentamientos – NSR H.4.9.1 CLASIFICACIÓN — Se deben calcular los distintos tipos de asentamientos que se especifican a continuación: (a)Asentamiento máximo — Definido como el asentamiento total de mayor valor entre todos los producidos en la cimentación.

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(b) Asentamiento diferencial — Definido como la diferencia entre asentamiento correspondientes a dos partes diferentes de la estructura.

los

(c) Giro — Definida como la rotación de la edificación, producida por asentamientos diferenciales de la misma.

plano

sobre

el

valores

de

horizontal,

Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Asentamientos – Limites LÍMITES DE ASENTAMIENTOS TOTALES — Los asentamientos totales calculados a 20 años se deben limitar a los siguientes valores: (a) Para construcciones aisladas 30 cm, siempre y cuando no se afecten la funcionalidad de conducciones de servicios y accesos a la construcción.

(b) Para construcciones entre medianeros 15 cm, siempre y cuando no se afecten las construcciones e instalaciones vecinas. Tabla H.4.9-1 Valores máximos de asentamientos diferenciales calculados, expresados en función de la distancia entre apoyos o columnas, L

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GIRO: En ningún caso localmente pueden sobrepasar de L/250 .

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Métodos para previsión de asentamientos Tres componentes contribuyen para los asentamientos de cimentaciones t = i + a + s Donde: t = Asentamiento total i = Asentamiento inmediato o elástico a = Asentamiento por consolidación s = Asentamiento por consolidación secundaria.

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Métodos para previsión de asentamientos Cálculo de los asentamientos i = Teoría de la elasticidad y métodos empíricos; Parámetros Elásticos obtenidos por: • • •

Prueba de carga de placa; Ensayos de laboratorio; Sondeos (correlaciones)

a = Teoría del la consolidación;

Parámetros de consolidación obtenidos por: • • •

Ensayo de consolidación; Correlación con limites de Atterberg; Tiempo de consolidación con el ensayo de CPTu;

s = Métodos empíricos;

No hay práctica consagrada en la literatura geotécnica.

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

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Calculo de los asentamientos por la teoría de la elasticidad - Capa infinita arcilla, 𝝆 inmediato La teoría de la elasticidad indica que los asentamientos en la superficie de una área cargada pueden ser estimados por la ecuación: 𝝈𝟎 ∗ 𝑩 𝝆𝒊 = 𝑰 ∗ ∗ 𝟏 − ν𝟐 𝑬

Donde: σ0= Esfuerzo uniformemente distribuido en la superficie E e ν son los parámetros de deformabilidad B= Ancho (o diámetro) del área cargada I= coeficiente que lleva en cuenta la forma de la superficie cargada y del sistema de aplicación de presión – elemento rígidos (zapatas) o flexibles (terraplenes).

Recalque elementos rígidos

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Recalque elementos flexibles

Coeficiente de forma para calculo de Asentamientos, I

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Calculo de los asentamientos por la teoría de la elasticidad - Capa finita arcilla, 𝝆 inmediato En muchos casos a capa de arcilla posee un espesor finito, sobrepuesto a un material que puede ser considerado como rígido (roca o arena muy compacta). En ese caso el asentamiento inmediato en una capa arcillosa es dado por la ecuación (Janbu et al, 1959).

𝝈𝟎 ∗ 𝑩 𝝈𝟎 ∗ 𝑩 𝝆𝒊 = 𝑰𝒖 ∗ = ∗ 𝝁𝟏 ∗ 𝝁𝟎 𝑬 𝑬

Donde: Iu = factor de influencia dado por el producto de o por 1

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Calculo de los asentamientos por la teoría de la elasticidad - Capa infinita arena, 𝝆 inmediato Para a estimar asentamientos inmediatos en arenas, basado en la teoría de la elasticidad, se puede utilizar la misma ecuación utilizada para arcillas mayorada por 1,21 para corregir los factores de o e 1, desarrollados para  = 0,5 𝝈𝟎 ∗ 𝑩 𝝆𝒊 = 𝟏, 𝟐𝟏 ∗ 𝑰 ∗ ∗ 𝟏 − ν𝟐 𝑬

Donde: σ0= Esfuerzo uniformemente distribuido en la superficie E e ν son los parámetros de deformabilidad B= Ancho (o diámetro) del área cargada I= coeficiente que lleva en cuenta la forma de la superficie cargada y del sistema de aplicación de presión – elemento rígidos (zapatas) o flexibles (terraplenes).

Recalque elementos rígidos

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Recalque elementos flexibles

Coeficiente de forma para calculo de Asentamientos, I

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Método de Schmertmann, Asentamiento inmediato en arenas EL autor verifico que el perfil de deformación específica medidos abajo de una placa de prueba tiene un pico a una profundidad B/2 y se anula cerca de 2B. O autor propuso el índice de deformación específica Iz. El asentamiento de una cimentación directa sobre arenas puede ser obtenido por la siguiente expresión: 𝟐𝑩

𝝆𝒊 = 𝑪𝟏 ∗ 𝑪𝟐 ∗ ∆𝒑 ∗ ෍ 𝟎

𝑰𝒛 ∗ ∆𝒛 𝑬

Donde:

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ρi = Asentamiento; Δz = espesor de la capa en estudio; Iz = coeficiente de influencia de la deformación C1 = factor de empotramiento con la profundidad; C2 = factor empírico de deformación lenta debido a la aplicación continua de esfuerzo; Δp = aumento del esfuerzo efectivo en el nivel de cimentación debido al peso propio; E = módulo de deformabilidad del suelo.

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Método de Schmertmann, Asentamiento inmediato en arenas 𝟐𝑩

𝑰𝒛 𝝆𝒊 = 𝑪𝟏 ∗ 𝑪𝟐 ∗ ∆𝒑 ∗ ෍ ∗ ∆𝒛 𝑬 𝟎

𝒑′𝟎 𝑪𝟏 = 𝟏 − 𝟎, 𝟓 ∗ ∆𝒑

𝑪𝟐 = 𝟏 + 𝟎, 𝟐 ∗ 𝒍𝒐𝒈

Donde: Δp = aumento del esfuerzo efectivo en el nivel de cimentación debido al peso propio; p’0 = esfuerzo efectivo inicial debido al peso propio del terreno; t = período de tiempo, en años, para el cual el asentamiento debe ser calculado; El valor de Iz puede ser obtenido por semejanza de triángulos

Zapata Cuadrada Iz = 0,1 + 2(Izmax – 0,1) z/B Iz = (2/3) Izmax (2 – z/B)

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Zapata corrida Iz = 0,2 + (Izmax – 0,2) z/B Iz = (1/3) Izmax (4 – z/B)

para z ≤ B/2 para B/2 ≤ z ≥ 2B

para z ≤ B para B ≤ z ≥ 4B

𝒕 𝟎, 𝟏

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Calculo de los asentamientos, Método empírico – SPT, Asentamiento inmediato Schultze e Sherif (1973)

i 

S  0,87 N spt [1  0,4( D / B)]

Donde: S = coeficiente de Asentamiento (cm3/kg) ρi = Asentamiento inmediato (cm) Nspt – valor medio de SPT D = profundidad de la cimentación (m) B = Ancho de la cimentación (m) L =longitud de la cimentación(m) σ = tensión de contacto (kg/cm2) ds= espesor de la capa granular compresible (m)

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Calculo de los asentamientos, Por consolidación, En arcillas normalmente consolidadas

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Donde: e1 = índice de vacíos inicial; e2 = índice de vacíos final; H1 = espesor inicial da capa Cc = índice de compresibilidad; mv = coeficiente de compresibilidad volumétrica; σ = variación del esfuerzo efectivo; D= modulo de compresión edométrica ’1= esfuerzo efectivo inicial; ’2 = Esfuerzo efectivo final;

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Calculo de los Asentamientos, Por consolidación, En arcillas sobre adensadas El cálculo del asentamiento total (∆H) es estimado en función del esfuerzo aplicado en relación al esfuerzo de pre-consolidación 𝜎′𝑣𝑚 > 1 → 𝑃𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑜 𝜎′𝑣𝑜

Esfuerzo entre A y P

Esfuerzo mayor a P, es usada la siguiente ecuación:

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Calculo de los Asentamientos, Por consolidación, Asentamiento Secundario La experiencia muestra que los asentamientos secundarios evalúen lento y linealmente con el logaritmo del tiempo y son calculados por la expresión:

Donde: Cα= índice de compresión secundario ts= período de tiempo de interés, normalmente considerado como siendo el tempo de vida útil da obra considerada, tp= tiempo de ocurrencia del asentamiento primario

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Valores típicos del índice de compresión secundario: • arcillas pre consolidadas (OCR > 2 ) Cα < 0,001 • arcillas normalmente consolidadas y de actividad normal Cα- 0,005 a 0,02 • arcillas muy plásticas y orgánicas Cα > 0,03 • turbas Cα > 0.08

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Pruebas de carga

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Pruebas de carga de placa  Es la forma mas segura de determinarse la capacidad de soporte de una cimentación

Sistema de reacción Viga de referencia

Viga de reacción

Reloj Comparador

Gato hidráulico

Placa

ℓ

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ℓ

ℓ

Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Pruebas de carga de placa

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Pruebas de carga de placa

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Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

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Pruebas de carga de placa Tipos de ensayo en relación a su localización Tipos de ensayo En relación a la forma de carga:

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•

Carga controlada i. Carga incremental mantenida ii. Carga cíclica

•

Deformación controlada (diferentes velocidades)

Cimentaciones superficiales- Cimentaciones

Pruebas de carga de placa, Resultado

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Introducción - Geotecnia Avanzada

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Libros y manuales para consulta  Foundation Analysis and Design. Joseph E. Bowles. Editorial McGraw-Hill.  The Engineering of Fundations. Rodrigo Salgado. McGraw Hill.  Foundation Design, Principles and Practices. Donald Coduto. Prentice Hall.

 Soil Mechanics And Foundations. Muni Budhu. Wiley.  Geotechnical Engineering. Murthy V.N.S. CRC.  Principios de Ingeniería de Cimentaciones – Braja.M. Das. Editorial Thomson.  Mecánica de Suelos segundo tomo. Juárez Badillo.- Editorial Limusa.  Ingeniería de cimentaciones - Peck, Hanson, Thornburn.- Editorial Limusa.  Dirceu de Alencar Velloso e Francisco de Rezende Lopes (2011) “Fundações”Oficina de textos.  Ingeniería de Fundaciones – Manuel Delgado Vargas – Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

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