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GOBIERNO REGIONAL CUSCO GERENCIA REGIONAL DE INFRAESTRUCTURA SUB GERENCIA DE OBRAS LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y DE MATERIALES

Estudio de Mecánica de Suelos con Fines de Cimentación

Proyecto

: Reposición Infraestructura Institución Calicata 2 Educativa Nº 50448 Cangalle - Patacancha

Solicitado

: Sub-Gerencia de Estudios e Inversión

Lugar

: Patacancha

Calicata 1

Diciembre - 2007

Gerencia Regional de Infraestructura Sub Gerencia de Obras Laboratorio de Mecánica de Suelos y Materiales

Reposición Infraestructura Institución Educativa Nº 50448 Cangalle Patacancha

Índice Estudio de Mecánica de Suelos con Fines de Cimentación Proyecto : Reposición Infraestructura Institución Educativa Nº 50448 Cangalle - Patacancha Solicitado : Sub-Gerencia de Estudios e Inversión Lugar : Patacancha Diciembre - 2007 Índice Informe de Mecánica de Suelos con fines de cimentación 1 Introducción 2 Generalidades 3 Geología y Sismicidad del área en estudio 4 Investigación de campo 5 Ensayos de laboratorio 6 Perfil del suelo 7 Análisis de la cimentación 8 Conclusiones y recomendaciones 9 Bibliografía Anexo 01 Planos y perfil estratigráfico Anexo 02 Panel fotográfico Anexo 03 Resultados de ensayos de laboratorio

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Informe de Mecánica de Suelos con fines de cimentación 1 Introducción 1.1

Antecedentes El Gobierno Regional del Cusco, a través de la Gerencia de Infraestructura, como parte de sus objetivos para contribuir con el desarrollo regional del Cusco viene realizando el proyecto Reposición Infraestructura Institución Educativa Nº 50448 Cangalle - Patacancha. Por tal motivo, la Sub Gerencia de Estudios e Inversión consideró dentro de su plan de trabajo los Estudios de Mecánica de Suelos con Fines de Cimentación en el área de dicho proyecto. Con esta finalidad, con fecha 15 de noviembre de 2007 la Gerencia de Infraestructura mediante el Memorandum Nº 2973.2007.GR CUSCO/GRI dispone al equipo técnico del Laboratorio de Mecánica de Suelos y Materiales para la realización de los Estudios de Mecánica de Suelos con Fines de Cimentación. El estudio comprendió trabajos de campo y gabinete. Con respecto a los trabajos de campo fueron excavadas dos (02) calicatas hasta una profundidad de -2.90 m.

1.2

Objetivo El estudio tiene como objetivo investigar el sub-suelo donde se proyecta la construcción del Centro Educativo, con la finalidad de analizar la estabilidad y permanencia de las obras, y promover la utilización racional de los recursos. Para tal efecto, se ha hecho el estudio en forma específica del área sobre el cual se ubicaran las estructuras de edificación, a través del siguiente programa de trabajo: -

Reconocimiento del terreno.

-

Recopilación de información.

-

Ubicación y ejecución de calicatas.

-

Toma de muestras alteradas.

-

Ejecución de ensayos de laboratorio.

-

Evaluación e interpretación de los ensayos de campo y laboratorio.

-

Elaboración de los perfiles estratigráficos.

-

Análisis de la cimentación.

-

Conclusiones y recomendaciones.

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1.3

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Normatividad El estudio contemplado en el presente informe está en base a los criterios e informaciones de la Norma E030 de Diseño sismorresistente y E050 de Suelos y Cimentaciones y las Normas Técnicas Peruanas para los ensayos de suelos.

2 Generalidades 2.1

Del área a investigar El terreno está ubicado en la localidad de Patacancha, distrito de Huancarani, provincia de Paucartambo y departamento del Cusco, entre las coordenadas N 8 508 380, E 211 250 y una altitud de 3 641 m.s.n.m. El terreno donde se emplazaran las estructuras está conformado por una topografía plana (pendientes < de 5%). El ámbito definido para el estudio se encuentra dentro de los límites del área del I. E. Nº 50448 Cangalle - Patacancha, el cual tiene las siguientes colindancias: Entrando, por el lado derecho aulas de un nivel en material adobe, al fondo con aulas de un nivel en material adobe, por el lado izquierdo con área libre y por el frente con la calle S/N (ver Plano EMS 01, en Anexo 01).

2.2

De la obra a cimentar La estructura considerada en el presente estudio es de tipo aporticada con luces menores a 10 m (mayor luz de 7.00 m) y muros de bloque hueco de concreto (bloqueta), proyectada en un área aproximada de 183 m2, nivel de piso terminado 3 641.3 m.s.n.m., área aproximada del terreno de 4 680 m2 y perímetro de 300 m aprox.

2.3

Acceso al área de estudio Se accede a la zona de estudio, en un viaje de dos (2) hrs. aproximadamente, en vehículo particular, partiendo desde la ciudad del Cusco (Plaza de armas), tomando la carretera Cusco – Paucartambo, continuando a la localidad de Huancarani, hasta llegar al poblado de Patacancha (zona de estudio).

2.4

Resumen de las condiciones de la cimentación 

Cimentación propuesta para la zona de estudio La cimentación recomendada es de tipo aislada superficial, tal como zapatas aisladas

reforzadas y/o cimientos corridos, desplantada a una profundidad de –2.40 m, en el estrato

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gravoso. La carga admisible para las cimentaciones a la profundidad recomendada es: Zapatas cuadradas de 1.2 x 1.2 m

: q a = 1.11 Kg/cm2

Zapatas cuadradas de 1.8 x 1.8 m

: q a = 1.16 Kg/cm2

Zapatas rectangular de 1.2 x 1.8 m

: q a = 1.24 Kg/cm2

Cimiento corrido de 0.4 m

: q a = 1.10 Kg/cm2

Cimiento corrido de 0.6 m

: q a = 1.13 Kg/cm2

Cimiento corrido de 0.8 m

: q a = 1.17 Kg/cm2

No hay presencia del nivel freático; factor de seguridad por corte adoptado en los análisis igual a 4.

3 Geología y Sismicidad del área en estudio 3.1

Geomorfología Regionalmente la zona de Estudio se encuentra ubicada dentro de la Unidad Geomorfológica denominada Ladera Oriental, caracterizado por

presentar laderas

de

pendientes medianamente pronunciadas, perfiles asimétricos y quebradas profundas. Localmente presenta una topografía abrupta rodeada de cerros cuyas cumbres son redondeadas y quebradas profundas.

3.2

Geología Regionalmente se encuentra sobre rocas del Grupo Mitu, formado por una secuencia de conglomerados, areniscas, limonitas de coloración pardo rojiza y materiales volcánicos. La zona misma se ubica sobre depósitos cuaternarios coluviales compuestos principalmente por clastos de rocas volcánicas en una matriz arcillo limosa de coloración pardo rojiza.

3.3

Sismicidad El proyecto en estudio se encuentra en la Zona 2, según la zonificación propuesta por la Norma E.030 del Reglamento Nacional de Edificaciones. A esta zona se le asigna un factor Z =0.3 (que se interpreta como la aceleración máxima del terreno con una probabilidad del 10% de ser excedida en 50 años), correspondiéndole una sismicidad media y de intensidad VII a VIII en la escala de Mercalli Modificada. Los suelos encontrados son de tipo intermedios, según los tipos

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de perfiles de suelos indicados en la Norma E.030, para los cuales les corresponde un Factor de suelo S de 1.2 y un periodo T p (S ) de 0.6.

4 Investigación de campo Los trabajos de exploración de campo se realizaron el día 30 de noviembre de 2007. Estos trabajos estuvieron a cargo del Personal del Laboratorio de Mecánica de Suelos y Materiales, en coordinación del actual Responsable de Laboratorio. Los trabajos de campo realizados consistieron en dos (02) calicatas de exploración. Se ejecutaron las calicatas ubicadas estratégicamente, tal como lo indica el plano EMS01 del Anexo 01, de 1.20 por 2.40 m de sección, hasta una profundidad de - 2.90 m (Foto 01 y 02 del Anexo 02). Se aplicaron las técnicas de investigación tales como: Método para la clasificación de suelos con propósitos de ingeniería, Densidad in-situ mediante el Cono de Arena, ensayos con PDC y Descripción e identificación de suelos manual. Los métodos de clasificación e identificación de suelos fueron realizados en cada estrato encontrado. El ensayo de Cono de Arena fue realizado en los estratos superior e inferior al nivel de desplante de la cimentación. Se hizo la extracción de muestras de los tipos: Muestras del tipo alterada en bolsa de plástico ( Mab ), y muestras alteradas para humedad ( Mah ) de todos los estratos encontrados.

5 Ensayos de laboratorio Los ensayos de laboratorio realizados son los que se detallan en la Tabla 01. Los resultados de los ensayos se presentan en el Anexo 03. Tabla 01 – Ensayos realizados Tipo de Ensayo Contenido de humedad Análisis granulométrico Límite Líquido y Límite Plástico Clasificación Unificada de Suelos (SUCS) Descripción Visual-Manual

Norma NTP 339.127 NTP 339.128 NTP 339.129 NTP 339.134 NTP 339.150

Con respecto a la caracterización de los suelos, fueron comparados los resultados de las pruebas de laboratorio con los resultados obtenidos en campo. Es preciso advertir en esta sección, que en el presente estudio, no se realizaron pruebas de resistencia ni deformación, las cuales son imprescindibles para determinar con mayor aproximación la capacidad de carga de la cimentación; esto debido a las limitaciones de equipo que tiene el Laboratorio de Mecánica de Suelos y Materiales de nuestra institución, lo cual

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deberá ser considerado, antes de iniciar la obra en la etapa de verificación de la capacidad portante del terreno.

6 Perfil del suelo La investigación de campo, juntamente con los resultados de laboratorio, permitió definir los siguientes perfiles de suelos (Ver Plano EMS-01). Calicata 01 -

De ±0.00 a -1.90 m, Relleno, presencia de raíces en abundancia, ligeramente compacto, coloración amarillenta y negra oscura, con presencia de algunos clastos sub-angulosos.

-

De -1.90 a -2.20 m, Grava arcillosa (GC), coloración negro oscura.

-

De -2.20 a -2.90 m, Grava arcillosa (GC), media a densa, presencia de óxidos, coloración marrón oscura, presencia de clastos sub-angulosos

Calicata 02 -

De ±0.00 a -0.90 m, Relleno, presencia de raíces en abundancia, ligeramente compacto, coloración amarillenta y negra oscura, con presencia de algunos clastos sub-angulosos.

-

De -0.90 a -1.90 m, Arcilla inorgánica de baja plasticidad (CL), consistencia dura, coloración rojizo amarillento, presencia de clastos y bolones de 30 a 45 cm.

-

De -1.90 a -2.60 m, Grava arcillosa (GC), media a densa, presencia de óxidos, coloración marrón oscura, presencia de clastos sub-angulosos

Para los fines de cimentación se recomienda cimentar a partir de una profundidad de – 2.40 m en el estrato gravoso. La zona de estudio y el perfil estratigráfico del suelo se presenta en el Anexo 1.

7 Análisis de la cimentación De acuerdo a la naturaleza del terreno y a las posibles cargas transmitidas a la edificación se recomienda una cimentación aislada de tipo superficial, tales como zapatas aisladas reforzadas y/o cimientos corridos, desplantadas a una profundidad no menor de 1.00 m, en el estrato gravoso. Las características físico-mecánicas de los suelos que controlan el diseño de la cimentación, en este caso los estratos gravosos, son mostradas en la Tabla 02.

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Tabla 02 – Características físico-mecánicas de los suelos empleados en el diseño de la cimentación Propiedades Zona de estudio Cohesión ( c ) (Kg/cm2) 0 (º) 22º Angulo de fricción ( φ )* Densidad S1 (Kg/m3) 1 900 Densidad S2 (Kg/m3) 1 900 Nivel de desplante (m) -2.40 Nivel freático (m) N. E. * Parámetros asumidos

7.1 7.1.1

Memoria de cálculo de la carga admisible de la cimentación (criterio por resistencia) Método teórico Los análisis de la cimentación son realizados considerando una ruptura general, esto debido a la densidad del terreno de fundación. La resistencia última de la cimentación ( qu ) es estimada en base a la ecuación general de capacidad de carga para ruptura por corte general, dada por la Ecuación 01.

qu = c.N c .s c .d c + γ 1 .Df .N q s q d q + 0.5.γ 2 .B.N γ sγ d γ

(Ec. 01)

Donde: c , cohesión; N c , N q y N γ , factores de carga; s c , s q y sγ , factores de forma,

d c , d q y d γ , factores de profundidad; γ 1 , densidad del suelo por encima del nivel de desplante de la cimentación, γ 2 , densidad del suelo por debajo del nivel de desplante de la cimentación;

Df , profundidad de desplante; y B , ancho de la zapata. La carga admisible ( q a ) estará dado por la Ecuación 02.

qa =

qu FS

(Ec. 02)

Donde: FS , factor de seguridad asumido para cargas estáticas ( FS =4). 7.1.2

Método empírico Los valores de capacidad de carga admisible empleados fueron obtenidos de la literatura técnica, los cuales son: NBR 6122/96 Tipo de suelo Material gravoso suelto

Carga admisible ( q a ) (kg/cm2) 3

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Material gravoso compacto 6 Valor asumido 4 Los valores de carga admisible son corregidos en función al ancho de la zapata a través de la siguiente expresión:

 1.5 ( B − 2)  q a = q a ' 1 + 8  

(Ec. 03)

DIN 1054 y DIN 4022 H-1 Tipo de suelo Material gravoso suelto Valor asumido

Carga admisible (kg/cm2) 2-8 4

En la Tabla 03 se presenta el resumen de los resultados obtenidos.

7.2

Memoria de cálculo de la carga admisible de la cimentación (criterio por asentamiento) El asentamiento total en suelos granulares está comprendido, básicamente, por los asentamientos inmediatos (elásticos), los cuales son estimados aplicando la teoría de la elasticidad. La expresión que nos permite estimar dichos asentamiento es la siguiente:

[

qB (1 − µ 2 ) F1 + (1 − µ − 2 µ 2 ) F2 ∆H = Es

]

(Ec. 04)

Donde: q , incremento de esfuerzo aplicado al suelo; µ , Modulo de Poisson, E s , Modulo de elasticidad del suelo; F1 y F2 , factores de influencia.

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Tabla 03 – Resultados del cálculo de la carga admisible para el diseño de la cimentación

c Cimentación

( kg

cm 2

φ

γ1

) ( º ) ( kg

m3

γ2

) ( kg

m3

B

L

Df

) ( m) ( m) ( m)

Freático

( m)

Cuadrada

0

22

1 900

1 900

1.20 1.20 2.40

N.E.

Cuadrada

0

22

1 900

1 900

1.20 1.20 2.40

N.E.

Rectangular

0

22

1 900

1 900

1.20 1.20 2.40

N.E.

Corrida

0

22

1 900

1 900

1.20 1.20 2.40

N.E.

Corrida

0

22

1 900

1 900

1.20 1.20 2.40

N.E.

Corrida

0

22

1 900

1 900

1.20 1.20 2.40

N.E.

Donde : L , longitud de la cimentación Método teórico, Terzagui Método teórico, Vesic Método empírico

Terzaghi Vesic

Nivel

N c ’ N q ’ N γ ’ sc

sq

sγ

dc d q dγ

1

0.4

--

20.3

9.2

7.5 1.3

16.9 20.3

7.8 9.2

7.1 1.5 1.4 0.6 1.4 1.3 7.5 1.3 1 0.4 -- --

3 --

16.9 20.3

7.8 9.2

7.1 1.5 1.4 0.6 1.4 1.3 7.5 1 1 1 -- --

3 --

16.9 20.3

7.8 9.2

7.1 1.3 1.3 0.7 1.4 1.3 7.5 1 1 1 -- --

3 --

16.9 20.3

7.8 9.2

7.1 7.5

1 1

1 1

1 1

1.6 1.4 -- --

3 --

16.9

7.8

7.1

1

1

1

1.5 1.4

3

20.3

9.2

7.5

1

1

1

16.9

7.8

7.1

1

1

1

--

--

--

1.5 1.4

--

-3

(1)

(2)

(3)

Asumido

qa

qa

qa

qa

( kg

cm 2

)

1.11 2.06 2.55

1.11

1.16 2.17 2.8

1.16

1.24 1.97 2.8

1.24

1.10 1.49 2.1

1.10

1.13 1.57 2.21

1.13

1.17 1.65 2.3

1.17

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Los parámetros empleados y resultados obtenidos del análisis se detallan en la tabla 04. De los análisis realizados, los asentamientos estimados son: Asentamiento elástico

: 2 - 3 mm

Asentamiento total

: 2 - 3 mm

Asentamiento diferencial

: 3 mm

Según lo establece la Norma Nacional de Edificaciones, los asentamientos diferenciales máximos tolerables, para la estructura en cuestión, es de 10 mm (L/500). En este sentido, de acuerdo a los análisis realizados y resultados obtenidos, los asentamientos estimados no sobre pasan el tolerable. Tabla 04– Resultados del análisis de estabilidad de la cimentación por asentamiento

Cimenta ción

Df (m )

γ

( kg

m

3

) ( kg

E*

cm

2

)

ν∗

( kg

qa

cm

2

)

δE

δc

δt

( mm

( mm

( mm

)

)

)

∆δ

( mm )

1.2 x1.2

1.2

1 900

210

0.2

1.11

2

---

2

3

1.8 x 1.8

1.2

1 900

210

0.2

1.16

3

---

3

3

1.2 x 1.8

1.2

1 900

210

0.2

1.24

3

---

3

3

γ : Densidad natural E ν : Coeficiente de Poisson qa : Carga empleada para el cálculo de asentamientos elásticos δE : Asentamiento elástico δc consolidación δt : Asentamiento total ∆δ * Valores asumidos

: Módulo de deformabilidad : Asentamiento

por

: Asentamiento diferencial

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8 Conclusiones y recomendaciones El presente Estudio de Mecánica de Suelos con Fines de Cimentación se ha elaborado en base a la Norma E.50 de suelos y cimentaciones del Reglamento Nacional de Edificaciones, con fines de estimar la carga admisible de la cimentación del proyecto “Reposición Infraestructura Institución Educativa Nº 50448 Cangalle - Patacancha”, el cual está ubicado en la localidad de Patacancha y Distrito de Huancarani, provincia de Paucartambo y departamento del Cusco. La zona de estudio se encuentra sobre depósitos cuaternarios coluviales (N 8 508



380, E 211 250) a una altitud de 3 641 m.s.n.m.), los cuales están constituidos por clastos y bolones de rocas volcánicas de color pardo rojizo. En la zona de estudio se realizaron dos calicatas (C1 y C2) a una profundidad de



–2.90 m, de las cuales fueron extraídas muestras alteradas (para la clasificación de los suelos). 

El perfil estratigráfico de la zona en estudio está compuesto por un primer estrato de material de relleno, Relleno, presencia de raíces en abundancia, ligeramente compacto, coloración amarillenta y negra oscura, con presencia de algunos clastos sub-angulosos; dicho estrato tiene un espesor variable, desde el nivel del terreno hasta una profundidad de, -0.90 m y –1.90 m. Por debajo de -0.90 a -1.90 m, Arcilla inorgánica de baja plasticidad (CL), consistencia dura, coloración rojizo amarillento, presencia de clastos y bolones de 30 a 45 cm, de -1.90 a -2.90, Grava arcillosa (GC), compacta, presencia de óxidos, coloración marrón oscura, presencia de clastos sub-angulosos.



Con base al perfil estratigráfico, se recomienda cimentar en el estrato gravoso a una profundidad de –2.40 m.



Se recomienda una cimentación de tipo superficial, tales como zapatas aisladas reforzadas y/o cimientos corridos, desplantadas a una profundidad de –2.40 m, en el estrato gravoso, se recomienda reemplazar el material comprendido desde el nivel de desplante de la cimentación (-1.20 m) hasta la profundidad de -2.40 m por material granular (Gradación Tipo A para base granular Especificaciones Técnicas EG 2000) compactado en capas menores a 20 cm, al 100% de la máxima densidad seca del Próctor modificado o con falsas zapatas de concreto ciclopeo f’c = 140 + 30% P.G.



2

La carga admisible en zapatas cuadradas varía de 1.11 a 1.16 kg cm para 1.2 y 1.8 m de lado, respectivamente. La carga estimada es para la profundidad de desplante recomendada de –2.4 m.



La carga admisible en zapatas rectangulares de 1.2 x 1.8 m es de 1.24 kg cm para la profundidad de desplante recomendada de –1.2 m.

2

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2

La carga admisible en cimientos corridos es de 1.10, 1.13 y 1.17 kg cm para un



ancho de 0.4, 0.6 y 0.8 m, respectivamente. Las cargas estimadas son para la profundidad de desplante recomendada de –2.4 m. Los asentamientos totales y diferenciales estimados no superan el recomendable



para el tipo de estructura (10 mm = L/500). -Asentamiento elástico

: 2 - 3 mm

-Asentamiento total

: 2 - 3 mm

-Asentamiento diferencial

: 3 mm

En el caso de las zapatas aisladas se recomienda proveer de elementos de



conexión a fin de soportar esfuerzos de tracción o compresión producidos en un evento sísmico. En ningún caso se deberá cimentar sobre relleno (sobre todo en la zona de



SS.HH.). Caso se encuentre relleno se deberá sobreexcavar hasta encontrar el terreno natural. 

Tomando en cuenta la naturaleza de los suelos y la profundidad de excavación en las cimentaciones, dicha excavación se deberá realizar manualmente y sin entibaciones especiales que eviten el desmoronamiento de sus paredes. Se recomienda que el tiempo de permanencia al aire libre de las excavaciones sea menor a 4 días.



Al culminar las excavaciones de las cimentaciones, el contacto suelo-estructura debe ser convenientemente humedecido y compactado. Antes de la compactación deberá removerse los fragmentos de roca mayores a 3” hasta una profanidad de 0.50 m por debajo del nivel de cimentación.



Para la construcción de pisos y veredas, se recomienda escarificar 30 cm de profundidad del terreno natural, y luego de eliminar los materiales orgánicos, piedras mayores a 3” y restos de basura, y en seguida humedecer y compactar en capas de 15 cm hasta alcanzar el 95% de la máxima densidad del Próctor estándar. Sobre la subrasante compactada se deberá colocar una capa de 10 cm de material de sub-base o base para pavimentos (suelo tipo SP, SP-SM, etc.), la cual será compactada al 95% de su máxima densidad del Próctor modificado.



Como parámetros para el diseño sismo-resistente se deberán considerar los siguientes parámetros:



-Factor de zona

: Z = 0.3

-Clasificación de suelo

: S = 1.2

-Periodo predominante

: Tp = 0.6

Se recomienda hacer un análisis de contenido de sales y sulfatos y cloruros solubles para ver la agresividad de los suelos y determinar el tipo de cemento.

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

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El suelo de fundación no presenta las condiciones para que se suscite el fenómeno de licuación.



Es preciso advertir que en el presente estudio no se realizaron pruebas de resistencia ni deformación en el suelo, las cuales son imprescindibles para determinar con mayor aproximación la capacidad de carga de la cimentación.; en este sentido, antes de iniciar la obra, en la etapa de verificación de la capacidad portante del terreno, se recomienda realizar pruebas de resistencia y deformación para comprobar los resultados alcanzados en el presente informe.



Las conclusiones y recomendaciones del presente estudio se aplican al área del terreno estudiado y no se puede aplicar para otros sectores.

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9 Bibliografía •

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Meyerhof, G. G. (1955). Influence of roughness of base and ground water conditions on the ultimate bearing capacity of foundations. Geotechnique, v.5, n.3, p. 227-242.

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Terzaghi, K.; Peck, R.B. (1967). Soil mechanics in engineering practice. 2ed.New York: Jhon Wiley and Sons Co. 729 p.

•

Cintra, J. C.; Aoki, N.; y Albiero, J. (2003). Tensao admisibel em fundacoes diretas. 1ed. Rima, 142p.

•

Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú, Junio 2006. .

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Anexo 01 Planos y perfil estratigráfico

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Anexo 02 Panel fotográfico

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Foto 01 – Calicata 02, profundidad de -2.90 m.

Bolonería de 30 a 45 cm de ø

Foto 02 – Calicata 02, profundidad de -3.00 m, presencia de bolonería de 30 a 45 cm de ø.

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Anexo 03 Resultados de ensayos de laboratorio