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UNIVERSIDAD TECNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL MECANICA DE SUELOS II SEXTO SEMESTRE Capítulo IV

MECANICA DE SUELOS II

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CAPITULO IV Error! Bookmark not defined.

CIMENTACIONES 4.1.-INTRODUCCION.Es necesario que el Ingeniero Civil con especialidad en estructuras conozca el verdadero comportamiento del suelo y que además de calcular la capacidad de carga y los asentamientos que eventualmente podría tener una obra, pueda definir con precisión el tipo de cimentación que requerirá su proyecto, esto motiva la necesidad de estudiar las cimentaciones de las estructuras y la interrelación entre:

mecánica de suelos, cimentaciones y estructuras Por lo tanto considero importante para los estudiantes mirar a las cimentaciones desde el punto de vista de la mecánica de suelos. 4.2.- TIPOS DE CIMENTACIONES.- A las cimentaciones se las puede clasificar según su tipo en: SUPERFICIALES PROFUNDAS Y COMPENSADAS 4.2.1.-CIMENTACIONES SUPERFICIALES O POCO PROFUNDAS.La preocupación del constructor por el comportamiento de las estructuras a través de las cimentaciones ha sido un incentivo para intentar analizar científicamente el funcionamiento de las mismas, por lo que se ha tratado de establecer principios generales que sirven a la vez de normas tanto para el proyecto como para la construcción en el campo. Las cimentaciones poco profundas en general se refieren a aquellas en que la profundidad de desplante no es mayor que el doble del ancho; es decir: Df  2B CLASIFICACION.- Por el tipo de construcción se las clasifica en: ZAPATAS AISLADAS ZAPATAS CORRIDAS O TRABES DE CIMENTACION LOSAS DE CIMENTACION 4.2.1.1.-ZAPATAS AISLADAS Son elementos estructurales generalmente cuadrados o rectangulares, rara vez circulares que se construyen bajo las columnas con el objeto de transmitir sus cargas al suelo en una mayor Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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área para lograr una presión apropiada, menor a la capacidad de carga y posibilidad de asentamiento del suelo en sus condiciones más críticas. 4.2.1.2.-ZAPATAS CORRIDAS Conocidas como trabes de liga, son también elementos estructurales en los que la longitud supera en mucho al ancho. Soportan a varias columnas, muros y otros elementos. La zapata corrida es una forma evolucionada de la zapata aislada en el caso de que el suelo ofrezca una resistencia baja que obligue al empleo de mayores secciones del cimiento, disminuya la distribución de las cargas, o en el caso de que se transmitan al suelo grandes cargas. 4.2.1.3.-LOSAS DE CIMENTACION Cuando la resistencia del terreno es muy baja o las cargas son demasiado altas, las áreas requeridas para el apoyo de la cimentación deben aumentarse, llegándose así al empleo de verdaderas losas de cimentación, generalmente construidas de hormigón armado y las que pueden ocupar toda la superficie de edificación Si aún en el caso de emplear una losa de cimentación, la presión transmitida al subsuelo sobrepasa la capacidad de carga de éste, es evidente que habrá que recurrir a soportar la estructura en estratos mas firmes que generalmente se encuentran a mayores profundidades, llegándose así al criterio de las CIMENTACIONES PROFUNDAS. En la lámina siguiente obsérvese las serias inquietudes que motivan el estudio de las cimentaciones,así como en la derecha un cuadro sinóptico del tipo y diferenciación de las mismas.

4.3.- FACTORES QUE DETERMINAN EL TIPO DE CIMENTACION 4.3.1.- RELATIVOS A LA SUPERESTRUCTURA Que engloban su función, cargas que transmiten al suelo, materiales que la constituyen 4.3.2.-RELATIVOS AL SUELO Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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Se refieren a sus propiedades mecánicas, especialmente su resistencia, compresibilidad y sus condiciones hidráulicas. 4.3.3.- ECONÓMICAS Las mismas que deben balancear el costo de la cimentación en comparación con la importancia y con el costo de la superestructura. En general puede decirse que un balance meditado de los tres factores permite,(en un análisis preliminar) a un proyectista con experiencia; eliminar todos aquellos tipos de cimentaciones inadecuadas para resolver un problema específico donde una solución que satisfaga todos los requerimientos desde el punto de vista estructural, social, económico, etc. Si a habido éxito en todas las etapas del estudio, la solución final representará un excelente compromiso entre los requerimientos estructurales y costo.

Así la mecánica de suelos solventa el problema de las cimentaciones contribuyendo con la solución de dos problemas para garantizar el éxito. En el primero, o sea la CAPACIDAD DE CARGA se trata de conocer el nivel de esfuerzos que la cimentación puede transmitir al suelo sin producir un colapso por falla brusca a efecto de un esfuerzo cortante, y segundo, por otro lado será necesario CALCULAR LOS ASENTAMIENTOS O EXPANSIONES que el suelo va a sufrir con tales esfuerzos, cuidando que siempre queden en niveles tolerables para la estructura.

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4.4.- CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL CONTACTO

SUELO-ESTRUCTURA Para conocer como afecta la rigidez de las áreas cargadas a la distribución de asentamientos y presiones en el suelo subyacente, se deben considerar para el análisis; suelos puramente friccionantes y puramente cohesivos así como los casos límites de áreas cargadas totalmente flexibles e infinitamente rígidas. En la lámina MSII144, considere el caso de una área infinitamente cargada y totalmente flexible; debido a la flexibilidad las presiones que el área cargada transmite al suelo serán idénticas a la presión uniforme sobre el área, en cambio el asentamiento dará un valor máximo en el centro del área cargada y menor en la periferie.

En la práctica el asentamiento inmediato debido exclusivamente al cambio de forma de áreas flexibles con carga uniforme apoyadas en arcillas saturadas adopta una forma similar a la figura "a". Cuando el área flexible se apoya en arenas o gravas el comportamiento será como de la figura "b", ya que éstos materiales aumentan su rigidez cuando están confinados, lo que dará un valor máximo sobre el centro de la zona cargada. Ahora si consideramos que la carga se transmite al suelo a través de una "placa infinitamente rígida", la misma se asentará uniformemente, pero la presión de contacto no es uniforme, ya que en el medio homogéneo y elástico, la presión es mínima al centro y máximo en las orillas, puesto que para llegar al asentamiento uniforme, la presión deberá disminuir en el centro y aumentar en las orillas. Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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4.5.- CIMENTACIONES VERSUS TIPOS DE SUELOS 4.5.1.-CIMENTACIONES EN GRAVAS Y ARENAS. El soporte de las cimentaciones de tipo superficial en suelos friccionantes de tipo gravas y arenas o mezclas de ellas se basa en la capacidad de carga considerando que en la geometría del diseño intervendrá el ancho "B" de la zapata y la profundidad de desplante o "Df" y que con la estricta aplicación de la expresión de Terzaghi usaremos: qc = *Df*Nq + ½ B**N De lo que puede observarse que la capacidad de carga última de un cimiento poco profundo en un suelo friccionante depende de: 4.5.1.1.- DE LA COMPACIDAD RELATIVA DEL SUELO Se refleja en el ángulo de fricción interna  y de los

factores de capacidad de carga Nq

y N. El mejor método para determinar la compacidad relativa del subsuelo es el de PENETRACION ESTANDAR, ya que se han establecido correlaciones dignas de todo crédito entre N vs . Cuando se trabaja con arenas muy finas situadas abajo del nivel freático el valor N del SPT resulta mayor que el que se tendría con arena seca por lo que deberá ser corregido mediante la fórmula propuesta por los autores PECK, HANSON Y THORBURN, entonces: N = N' + 15 2 siendo : N = el nuevo valor corregido del N del SPT N' = es el valor obtenido del ensayo de campo y la corrección se efectuará únicamente cuando el dato de campo sea mayor que 15 4.5.1.2.-LA POSICION DEL NIVEL FREATICO. Indiscutiblemente el peso volumétrico de los suelos varían si están secos o sumergidos entonces deberá emplearse con el debido criterio m' = sat - w, por lo que será necesario recordar la expresión del sat en la compactación de los suelos: sat = Ss * o 1 + *Ss Lo que significa que el  del suelo se reduce ostensiblemente y se reflejará en la capacidad de carga última del cimiento. 4.5.1.3.-EL ANCHO DE LA CIMENTACION. Este parámetro influye linealmente en la parte de la capacidad de carga que se refiere al peso del suelo situado bajo el nivel de desplante, pero dicho ancho B no influye en la parte de capacidad de carga que refleja el efecto de la sobrecarga existente sobre el nivel de desplante; así: si qc = *Df + ½B*N 1 2 Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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entonces : no existe influencia en 1 y si la hay en 2 4.5.1.4.-LA PROFUNDIDAD DE DESPLANTE.Por muy bueno que sea el suelo de cimentación no conviene hacer cimientos muy superficiales, ya que las estructuras quedarían sin sustento lateral, entonces se recomienda: Excavación mínima de los cimientos 1,00 metro; en casos excepcionales, muy buen suelo y estructura ligera 0,50 metros y jamas cimentar directamente sobre la capa vegetal. Para suelos no sumergidos, o para casos en que el nivel freático se encuentre a una profundidad "B" o mayor respecto al nivel de desplante, PECK, HANSON Y THORBURN, proporcionan gráficas empíricas para obtener la presión de contacto correspondiente a un asentamiento de una pulgada para diferentes anchos de cimientos y distintas compacidades del suelo obtenido de una prueba de penetración estándar.

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4.6.-CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE / FACTOR DE SEGURIDAD. Todas las capacidades de carga que han sido propuestas en las fórmulas anteriormente conocidas corresponden a valores a la falla, o sea que si esos esfuerzos fueran comunicados por el cimiento directamente al suelo, este quedaría en estado de falla incipiente, nace la necesidad de tener seguridad a través de una CAPACIDAD DE CARGA DE TRABAJO, con la que habrá que diseñarse una cimentación. Esta siempre menor que la de falla y deberá quedar suficientemente lejos como para dar los márgenes de seguridad para cubrir con todas las incertidumbres referidas a las propiedades de los suelos y a los métodos de su obtención. En el caso de los suelos friccionantes la capacidad de carga casi siempre es mucho mayor que la presión actuante en el nivel de desplante, razón por la cual el uso de una fórmula muy simplista se ha extendido internacionalmente siendo: "qad = qc/fs", en donde los valores de fs mas usuales son: fs =3,0 si se tomaron en cuenta solo cargas permanentes; fs =2,5-2,0 si se tomaron en cuenta también cargas vivas y fs =1.5 si en el análisis hasta intervinieron cargas sísmicas. En la página siguiente se muestran las láminas MSII146 y MSII146A de una edificación tipo, su planta y el corte realizado en el estudio de suelos.

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4.7.-CIMENTACIONES EN SUELOS COHESIVOS 4.7.1.-EN ARCILLAS HOMOGENEAS La capacidad de carga de un suelo cohesivo depende de la resistencia del suelo sin consolidación y sin drenaje y de la presión actuante como sobrecarga al nivel del desplante del cimiento (m*Df). Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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El valor del qu debe obtenerse en pruebas triaxiales rápidas, aunque los métodos de la compresión simple y de la veleta son los mas difundidos, pero los valores así obtenidos son menores que los del ensayo triaxial a causa de la falta de soporte lateral que se tiene en la prueba de compresión simple Para los cimientos superficiales desplantados en arcillas homogéneas existe una importante diferencia en el cálculo cuando el nivel de desplante queda bajo el nivel freático, según sea la cimentación impermeable o no. En el primer caso en el nivel de desplante se habrá aliviado al terreno en una presión que es la total correspondiente a su profundidad, por el contrario en una cimentación permeable llena de agua hasta una altura igual a la del nivel freático, la descarga efectuada por la excavación no incluye la presión del agua, por lo que el término m*Df debe representar únicamente a la presión efectiva y así deberá ser calculada, para ello deberá usarse el peso especifico (m') sumergido en la parte del suelo bajo el nivel freático o bien deberá restarse a la presión total al nivel de desplante la presión del agua correspondiente al mismo nivel. En las cimentaciones superficiales en arcillas el problema de los asentamientos es el factor predominante, de tal manera que la presión admisible desde el punto de vista de la resistencia queda limitado por el valor que produzca el máximo asentamiento tolerable por la estructura. Los asentamientos totales tienen importancia intrínseca cuando existen estructuras vecinas a la considerada que puedan sufrir perjuicios por el movimiento de esta, o cuando existen instalaciones, ductos, canalizaciones, que no sean capaces de soportar tales asentamientos sin dañarse.

(A continuación se da una tabla de asentamientos admisibles para estructuras)

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TIPO DE MOVIMIENTO

ASENTAMIENTO MAXIMO

FACTOR LIMITANTE Asentamiento total Drenaje y accesos Probabilidad de asentamientos diferenciales Muros de carga de mampostería Estructuras de Edificios Inclinación Torres, Chimeneas Rodaje de camiones Almacenajes de Mercancías Rieles de Grúas Curvatura Muros de ladrillo en Edificios Estructuras de edificios de concreto armado Estructuras continuas de acero de edificios Estructuras simples de acero para edificios B = Ancho de la base S = Separación de las columnas, llamada también luz ¡ = Es el Asentamiento diferencial en la distancia S o B

15 – 60 cm 2,5 – 5,0 cm 5,0 – 10 cm 0,004B ¡ 0,01S ¡ 0,003S ¡ 0,005s – 0,002S ¡ 0,003S ¡ 0,002S ¡ 0,005S ¡

4.7.2. CIMENTACIONES EN LIMOS Y LOESS En el caso de los limos plásticos, normalmente consolidados saturados bajo nivel freático, los asentamientos pueden constituir un problema comparable al de las arcillas, su cálculo puede hacerse también a partir de la teoría de la consolidación y sobre la base de las correspondientes pruebas de laboratorio. 4.7.2.1.-En LIMOS, suaves o sueltos, no adecuados para soportar cimientos, puede recurrirse al empleo de cimentaciones profundas o compensadas. La resistencia al esfuerzo cortante de muchos Limos es debida además de a la fricción entre las partículas, a la cohesión producida por algún cementante. Las pruebas triaxiales deben verse como las mejores indicadoras para determinar la resistencia al corte de los suelos. La prueba de veleta puede dar muy buenos resultados en Limos plásticos bajo el nivel freático. La prueba de compresión simple a veces proporciona valores muy exagerados de la cohesión del material a causa de la compresión existente entre las partículas por capilaridad del agua que equivale a un confinamiento de importancia y que por lo tanto es una resistencia debida a la tensión superficial. 4.7.2.2.-El LOESS es un material generalmente limoso formado por depósitos eólicos y con sus partículas frecuentemente ligadas por un cementante.Es común que el mecanismo de deposición Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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determine una estructura relativamente abierta PANALOIDE y con relaciones de vacíos (e) muy altas. La característica básica de los Loess es su poca uniformidad que hace que las resistencias puedan variar mucho en longitudes o en profundidad. El ensayo del SPT es útil para verificar la uniformidad, pero en cambio pueda dar valores muy bajos a la resistencia, ya que la estructura facilita mucho el hincado. Los Loess generalmente no están saturados, y cuando llegan a estarlo, su cementante se ablanda o se disuelve perdiéndose la cohesión. En estas condiciones la estructura puede sufrir un colapso por asentamiento brusco. La elevación del nivel freático, el riego, la fuga de agua en tuberías, o la simple exposición de aguas lluvias fuertes son elementos de saturación comunes que deben evitarse, ya que son evidencia de algún desastre. EJERCICIOS. Diseñar las cimentaciones de un edificio de 6 pisos incluido el subsuelo a 3,50 metros de profundidad, construcción que se ejecutará en un suelo blando arcilloso de las características siguientes: Límite líquido: ...........................................................78,34 % Límite plástico:...........................................................29,86 % Índice de plasticidad:........................................................... % CLASIFICACION SUCS: Peso volumétrico m:..................... ......................1,870 gr/cm3 Resistencia a la compresión simple qu:..................0,91 kg/cm² o 9,1 Ton/m² Nivel freático:.....................................................(.- 2,00 en 2ª) Area de la edificación:.................................... Carga muerta:.................................................. Carga viva:...................................................... Carga sísmica:................................................. Nivel de cimentación:.....................................

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4.7.3.- CIMENTACIONES EN SUELOS ESTRATIFICADOS. Aunque no es tan generalizado, puede darse el caso de que se presenten estratos de suelos en las cimentaciones superficiales por ejemplo una arcilla dura sobre una suave, o suelo friccionante sobre un suelo cohesivo. La estratificación es una superficie de falla que crece en el estrato débil, mientras que virtualmente no se desarrolla en el estrato fuerte; en todo caso si el estrato débil está a 2B de profundidad, su presencia será despreciable. Para el caso de dos arcillas saturadas BUTTON presenta una solución gráfica para calcular un Nc modificado pero tomando en cuenta la relación d/B, siendo "d" el espesor del estrato superior y B el ancho del cimiento. SOLUCION DE BUTTON PARA UN SISTEMA DE DOS ESTRATOS COHESIVOS 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

10

B

C1/C2

1,6

1,8 0

9

d

5

1,0 0

2

2,6

0,3

C2

0,4 0,5

1,5

4 3

2,4

0,2

C1

6

Nc

2,2

B

8 7

2,0 0,1

TODAS LAS LINEAS SON d/B

,50

0,2

5 0

Esta solución sirve para casos en que el estrato fuerte es superior e inclusive a la inversa.

1

Cuando existe igual espesor en los estratos la influencia del estrato débil es mínima en la 0 capacidad de carga y la gráfica es horizontal. Si los suelos no son cohesivos, se los tratará como friccionantes y homogéneos y la capacidad de carga se calculará como:

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B

qc = cNc + mDf

B 1 s u e l o r e s i s t e n t e dC C 2 s u e l o d e b i l

4.7.4.- CIMENTACIONES EN ROCA. En este tipo de suelo, ni la posibilidad de asentamientos ni la resistencia al esfuerzo cortante son los importantes, sino más bien los defectos que pudiera tener la roca en su formación geológica y los altos esfuerzos que se impondrán en la relación estructura-roca sin que exista cierta elasticidad para disipar ese exceso de tales esfuerzos. El parámetro es el qu o resistencia a la compresión simple considerando que  = 0, Entonces c = qu/2; qc = c Nc y qad = qc/fs; siendo el fs más común el valor de 3. Si la roca tiene estratificación horizontal, la cimentación es optima e inclusive hasta cuando la pendiente llega a los 30 grados, pero ángulos mayores hacen suponer el riesgo de que existan deslizamientos, por lo que se deberá recurrir a los anclajes y escalonamientos.

CIMENTACIONES INCORRECTAS

SUELO

SUELO

SUELO

LENTE DE ROCA

ROCA

HUECO

CIMENTACIONES CORRECTAS

SUELO

SUELO

SUELO LENTE DE ROCA

ROCA En el caso de que existieran lentes de rocaRELLENO sobre suelos blandos la capacidad de carga también se verá afectada, ya que la roca puede fallar por flexión por lo que se recomienda hacer estudios de suelos por lo menos entre 1,5 a 2 veces B o ancho de la zapata.

En rocas agrietadas o fisuradas el fs debe ser de 5 y en la excavación se analizará la orientación y la magnitud de las fisuras las que generalmente se deberán rellenar con hormigón, por último en caso de detectar oquedades o cavernas se recomienda nunca cimentar sin estar seguros de haber rellenado totalmente o como alternativa preferible cimentar en el fondo Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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4.7.5.-CIMENTACIONES EN TALUDES. Para este tipo de cimentaciones se tienen 2 casos: a.- Si el cimiento está en la ladera del talud y b.- Si el cimiento esta en la corona del terraplén y para suelos cohesivos y friccionantes; entonces: qc = c Ncq + ½ B  Nq ; en donde :

4.7.5.1.- CIMIENTO EN LA LADERA DEL TALUD (MSII149-A) A.-PARA SUELOS COHESIVOS Ncq = se obtiene del gráfico de la figura siguiente entrando con el ángulo de inclinación del talud ß y el factor de estabilidad Ns = m H c 8

FACTOR DE ESTABILIDAD Nc 7

Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado 0

6

0

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B.- PARA SUELOS PURAMENTE FRICCIONANTES Nq = En el mismo gráfico de la figura VIII.d.1, se utilizará el lado "B", y para obtener el parámetro, se entrará con ß y  ; si la relación D/B = 0 o D/B = 1 ANGULO DE FRICCION INTERNA

500

45

400 300 40

Nq

200

D

100 30



50

B

45

25 40

10 5 1

30

0

10

20

30

40



4.7.6.- CIMIENTO EN LA CORONA DEL TALUD (MSII149-B) En el gráfico inferior se observan los monogramas para cimientos en el talud y cerca del borde. En ellos se deberá buscar el valor de Ncq para suelos blandos y Nq para suelos friccionantes. En el primer caso, es decir para suelos blandos, él valor de Ncq está influenciado por la relación b/B, el factor de estabilidad Ns y la inclinación del talud en el segundo caso Nq depende de la relación b/B del ángulo de fricción interna y de la inclinación del talud. 9

INCLINACION DEL TALUD

FACTOR DE

SUELOS COHESIVOS ESTABILIDAD Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

8 7

0

0 15

6

30

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INCLINACION

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ANGULO DE FRICCION INTERNA 

SUELOS FRICCIONANTES

DEL TALUD 400

300

0

200



40

D

20

q N 40 100

B

40

0

30 50

25 0

30

10

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA PARA UN CIMIENTO EN LA CORONADE UN TALUD

30 5 1 0

1

2

3

4

5

6

d/B

4.7.7 CIMENTACIONES COMPENSADAS.Se basan en un principio sencillo, es decir se trata de buscar un nivel de desplante, así que el peso de la estructura iguale al peso del suelo excavado, de tal manera que el suelo no reciba sobrecarga o presión añadida sobre la existente originalmente. Por lo tanto este tipo de cimentaciones exige que no se rellenen posteriormente, lo que se logra con losa corrida en toda el área de cimentación, o construyendo cajones huecos en el lugar de cada zapata. El primer tipo es usado en edificios y El segundo tipo es usado en puentes. Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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Las cimentaciones compensadas han sido particularmente usadas para evitar asentamientos en suelos altamente compresibles, pues teóricamente pueden eliminarse al no dar al terreno ninguna sobrecarga. Se debe aclarar que como la descarga no es simultánea a la carga, se producen en el fondo expansiones volumétricas que luego se traducirán en asentamientos cuando el suelo por efecto de la carga de la estructura se regresa a su posición original. Existen tres tipos básicos de estas cimentaciones; TOTALMENTE COMPENSADAS SOBRECOMPENSADAS PARCIALMENTE COMPENSADAS En las totalmente compensadas el peso de la estructura es igual al peso del suelo excavado. En las sobrecompensadas el peso de la estructura es menor al del suelo excavado; y En las parcialmente compensadas el peso de la estructura es mayor al del suelo excavado. En las cimentaciones compensadas, tratamos de limitar los asentamientos, utilizando la curva de compresibilidad de un ensayo de consolidación, si las cargas que se van a transmitir al suelo son menores a las cargas de la consolidación, los asentamientos serán pequeños. Si las cargas caen en el tramo virgen de la curva de consolidación, los asentamientos serán grandes. Para proceder a estimar la profundidad de excavación, se puede proceder por tanteos, es decir que habrá que asumir las profundidades de excavación hasta tener los resultados satisfactorios; ejemplo: Si relacionamos al ejercicio de cimentaciones en suelos cohesivos, en los cálculos se tiene un asentamiento de 34 centímetros, sino queremos que la estructura se asiente tanto calcularemos un nuevo cajón de cimentación. Peso del edificio 2.916 ton Suelo CH Area del edificio 270 m2  m 1.8 Ton/m3 Nivel freático - 2,50 metros 1.- Peso del suelo en los 2,5 primeros metros: W = m * z * Area W = 1.8 ton/m3 * 2,5 m * 270 m² = 1.215 ton 2.-Peso no compensado 2.916 Ton - 1.215 Ton = 1.701 Ton (falta de compensar) 3.-Chequeamos con la profundidad. z= 1.701 Ton = 7,87 metros 270 m²* (1,8 - 1) Ton/m3 4.-Sumamos 7,87 + 2,50 = 10,40 metros Entonces con 10,40 metros de excavación el peso del edificio estaría totalmente compensado. Esta solución no puede considerarse 100% práctica debido a la profundidad excesiva. En cuanto a la presión en exceso a la existente que puede dejarse actuar en una cimentación permanente en un suelo preconsolidado se recomiendas que su valor se limite a: p  ½( Pc - Po ) L. Zeevaert, en donde: Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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p = incremento de presión en la cimentación sobre la presión existente. Pc = carga de preconsolidación Po = presión efectiva en el suelo por peso propio. La presión anterior deberá verificarse en un nivel inferior al nivel de desplante ejemplo: Peso de la estructura 2.916 Ton Compensación 1.215 Ton No compensado 1.701 Ton Del ensayo de Consolidación Pc = 0,5 Kg/cm2 o 5 Ton/m² Po = Excavación a 2,5 metros x m = 2,5 m x 1,8 Ton/m3 Po = 0,45 Kg/cm2 o 4,5 Ton/m² p  ½ ( 0,5 Kg/cm² - 0,45 Kg/cm²) p = 0,05 Kg/cm² Carga/ área = 1701 Ton/ 270 m² _ = 6,3 ton/m² o 0,63 Kg/cm² Verificando => 6,3 + 0,5 Ton/m2 = 6,8 Ton/m² < 7,2 Ton/m2 ok Como no se sobrepasa la capacidad de carga admisible se aceptará el prediseño.

ANEXO DE CIMENTACIONES Areas efectivas de cimentación:

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L’ = L - 2eL B’ = B-2e

B II MECANICA DE SUELOS

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CIMENTACIONES ESTRATIFICADAS ESPECIALES Arena sobre arcilla blanda: Se presenta cundo se tiene un relleno de suelo granular sobre arcilla. Si el estrato de arena es delgada la falla se extiende a la arcilla en la forma siguiente:

- Para zapata continua:

qu = cNc+m H2 ( 1+2D ) Ks B + mD1 H

L

qu  mDfNq + ½ B m N Ks = factor de punzonamiento  ks

20 1.89

25 2.22

30 3.06

35 4.45

- Para zapata rectangular:

qu = (1 + 0.2 B) c Nc + (1 + B) mH² (1+ 2Df) Ks tan  + m D1 L L H B qu  mDf Nq + ½(1-0.4 B) B m N

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40 6.95

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L CIMENTACION CON DOBLE EXCENTRICIDAD:

max q( min ) = (1+

6e

L

l

6e +

B

s

)

L´ = L – 2e B´ = B – 2e

2.-

CIMENTACIONES COMBINADAS

Son cimentaciones superficiales con cuatro formas típicas, se utilizan cuando se requiere un área mayor de cimentación. Se asume que la distribución de presiones es lineal y uniformemente distribuida si la resultante de presiones coincide con el centro de gravedad de la cimentación. Esta implica que la zapata es de tipo rígida sobre suelo homogéneo. Rectangular

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79

R = P1 + P2 P2L1 X =-----------R

q1.2

R Mc ------ + ------  qu A I M = R+e

si L = 2(L2 + X) - q1 = q2 Trapezoidal:

P1 + P2 B1 + B2 A = --------- = ----------- L q 2 P2L1 Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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80

X = ----------R B1 + 2B2 L X + L2 = ( -------------- )-B1+B2 3 Con A, X, L y L2 conocido se encuentra B1 y B2 q1 = qa x B1

y q2 = qa x B2

Para un trapecio:

L _ L ----- < X + L2 < --3 2

RIGIDEZ DE UNA CIMENTACION

Se asume que el subsuelo está formado por un infinito número de resortes con rigidez específica K o coeficiente de reacción . De la mecánica de materiales. d²Z M = EfLf ------dX² Donde: M = momento en cualquier sección Ef = módulo de elasticidad del material de la viga If = momento de inercia de la sección = B1h3/12

Si:

dM ------ = V dX

fuerza cortante Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

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81

dV = d²M ---- ------ = q dX dX²

Reacción del suelo

d4Z q = EfIf -----dX4

y

q = -ZK1

K1 = KB1

Z = deflexión K = coef. De reacción Fuerza /volumen d4Z -ZKB1 = EfIf -----dX4 esta ecuación tiene la siguiente solución Z = e-ax (A1 cosX + A11 sin X) donde: A1 y A11 son constantes y

=

B1K ----4EfIf

1  -----------  longitud

El parámetro  define si la cimentación debe ser diseñada como rígida o flexible

1.75 Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

MECANICA DE SUELOS II

S Si: S>

82

------

Rígida

 1.75 -----

Flexible

COEFICIENTE DE REACCION: Denominada también coeficiente de balasto

El valor de K depende de la longitud (L) ancho (B) y profundidad (D) - Para arenas : basado en la prueba de placa de 0.3 x 0.3 m. B + 0.3 K = K0.3 ( --------------)² 2B Donde: K0.3 = coef. De balasto para una placa 0.3 x0.3 m. K = coef. De balasto para una cimentación BxB m. - Para arcillas: 0.3 K = K0.3 ( ------------)² B para fundaciones rectangulares B (1+ ---) L KBXL = KBXB ----------1.5 Si L >> B

K = 0.67 KBXB

- Basado en la prueba de penetración estándar (SPT) el coeficiente K0.3 puede calcularse como:

K0.3 0.2 N

kg -----  Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado

MECANICA DE SUELOS II

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cm3 donde: N = número de golpes corregidos - Si se conocen las características mecánicas del suelo el valor de K puede calcularse: Es K = -----------B(1- ²) donde:

B = ancho Es = modulo Esf - def. Del suelo  = relación de Poisson

- Valores corrientes de K:

tipo de suelo Arena seca - húmeda: - suelda - media - densa Arena saturada - suelda - media - densa

tipo de suelo Arcilla - medio blanda - dura - muy dura

K(Kg/cm²) 0.8 - 2.5 2.5 - 12.5 12.5 - 37.5 1.0 - 1.5 3.5 - 4.0 12.0 - 15.0

qu (Kg/cm²)

K’ )Kg/cm3)

1-2 2-4 >4

1.2 - 2.5 2.5 - 5.0 >5

Ing. MSc. Lorena Pérez Maldonado