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• Gunnady Caro

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ESTUDIO DE SUELOS

Introducción. Es importante realizar el estudio de mecánica de suelos en el sitio donde se construirá el tanque de almacenamiento, puesto que este estudio será la base para el análisis y posterior diseño de la cimentación de la estructura que sustentará el tanque elevado. Este estudio debe permitir determinar las características mecánicas del subsuelo hasta una profundidad en la que los esfuerzos transmitidos por la estructura dejen de ser significativos.

Con este propósito, se realizarán exploraciones de campo, pruebas de campo y de laboratorio, y en base a los resultados, se definirá el tipo de cimentación más adecuado para así no sobrepasar ninguno de los estados límite de falla o de servicio del suelo.

Estado Límite de Falla.

El estado límite de falla de la cimentación está asociado a la falla física que genere la reducción total o parcial de la capacidad de carga del suelo o de los elementos estructurales de la cimentación, de modo que se produzcan daños irreversibles que afecten su resistencia o comportamiento ante acciones futuras. Se puede llegar al estado límite de falla por resistencia cuando se presenta alguno de los siguientes problemas: a) Falla del suelo por exceder su capacidad portante. b) Falla por erosión del suelo de apoyo de la cimentación. c) Disminución del equilibrio por inestabilidad del terreno. d) Falla por deslizamiento horizontal o levantamiento de elementos de la subestructura a lo largo del contacto suelo-estructura, especialmente en presencia de subpresión. e) Amplificación y o modificación de las ondas sísmicas que viajan por el suelo produciendo falla de la estructura al entrar en resonancia con ella. f)

Falla de la estructura por el cambio de las propiedades del suelo al presentarse el fenómeno de licuefacción durante un sismo.

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g) Falla de la estructura de la cimentación como tal. h) Falla de la estructura por falta de amarres que den integridad estructural. Se debe prestar especial atención a la revisión de la posibilidad de falla local o generalizada del suelo bajo la combinación de carga que incluya el sismo. Estado Límite de Servicio. El estado límite de servicio está relacionado con la presencia de agrietamientos, deformaciones o daños de cualquier tipo que afecten al mínimo el adecuado comportamiento de la estructura pero no pongan en riesgo su seguridad. Se puede llegar al estado límite de servicio cuando se presentan los siguientes problemas en el suelo o la cimentación:

a) Asentamientos diferenciales y totales.

Un asentamiento diferencial entre dos

fundaciones continuas de una misma edificación puede producir ladeo de la estructura y podría llevarla a un posible vuelco. b) Desplazamientos o levantamientos excesivos causados por suelos expansivos. c) Daños locales o generales causados por fenómenos de erosión interna, lixiviación o dispersión. d) Daños locales en partes de la estructura por falta de juntas de expansión y de contracción. e) Emersiones aparentes en el caso de cimentaciones profundas desplantadas en un suelo en proceso de consolidación. f)

Deformaciones transitorias y permanentes de la cimentación en condiciones sísmicas.

En estos estados se puede identificar que las condiciones de falla en su mayoría se deben al suelo en su interacción con la estructura. Por consiguiente un apropiado diseño debe dimensionar las fundaciones para que en su trasmisión de cargas al suelo no hagan fallar al suelo y diseñar estas fundaciones para que ellas estructuralmente no fallen. Características del Subsuelo.

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El diseño de la cimentación de tanques de almacenamiento de agua potable requiere el conocimiento de la secuencia estratigráfica, propiedades de resistencia, compresibilidad y permeabilidad de los suelos y rocas, para ello debe realizarse un estudio geotécnico que considere exploración, muestreo, ensayos de laboratorio e interpretación de resultados, diseño de la cimentación y la evaluación del posible comportamiento de la estructura.

La exploración debe constar de dos etapas: la primera, de investigación preliminar, que permitirá la definición tentativa de los problemas geotécnicos del sitio; y la segunda, de investigación detallada, fundamentada en la anterior, debe incluir la realización de sondeos y pruebas de campo y laboratorio necesarios.

Una investigación geotécnica del subsuelo debe incluir las siguientes actividades: 

Compilar y examinar la información disponible sobre las características geológicas y geomorfológicas, las condiciones del suelo, de las rocas y del agua subterránea, en la zona de proyecto y en sus alrededores.

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Interpretar mapas topográficos y fotografías aéreas, es conveniente examinar imágenes de diferentes épocas con el objeto de conocer y evaluar los antecedentes.

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Identificar las condiciones geológicas superficiales, delimitar y describir las formaciones superficiales, los afloramientos de suelos y rocas, y el estudio del comportamiento de las estructuras existentes.

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Evaluar las propiedades del subsuelo mediante excavaciones, perforaciones y sondeos geofísicos.



Recolectar muestras, las muestras pueden ser alteradas o inalteradas según el tipo de ensayos que se consideren pertinentes en la investigación.



Localizar manantiales y zonas anormalmente húmedas; la posición del nivel piezométrico; la identificación de los diferentes niveles de agua subterránea, si existe más de uno, y el carácter libre o confinado de los acuíferos. Debe considerarse la variabilidad del nivel freático en el corto y largo plazo.



Identificar y evaluar el nivel y el material de cimentación, sea éste roca o suelo.

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

Identificar y caracterizar las rocas y depósitos superficiales, con referencia particular al grado de descomposición, a la profundidad de su emplazamiento, y los tipos y localización de las discontinuidades estructurales.

Obtenida la información durante la exploración y el reconocimiento geotécnico, se deben realizar las pruebas de laboratorio pertinentes con el fin de conocer el comportamiento del subsuelo ante las solicitaciones. Los ensayos de laboratorio tendrán los siguientes objetivos fundamentales:

a) Clasificar los suelos encontrados y verificar la identificación de ellos en campo. b) Obtener los parámetros de resistencia, deformabilidad y permeabilidad del suelo, necesarios para el diseño de la cimentación.

Las propiedades físicas y mecánicas de los suelos se determinarán con pruebas de campo, ensayos de laboratorio o una combinación de ambos. Debido a la variabilidad de los suelos, las pruebas de campo deben hacerse cuando menos por duplicado.

Las pruebas de campo se realizan para determinar principalmente la resistencia al corte, el módulo de deformabilidad, la plasticidad, la compresibilidad y la permeabilidad del suelo.

Cimentaciones.

El diseño de cimentaciones en estructuras requiere el conocimiento de factores como la carga que será transmitida por la superestructura a la cimentación, el comportamiento esfuerzodeformación de los suelos que soportarán el sistema y las condiciones geológicas del suelo.

De manera general las cimentaciones pueden clasificarse en dos grupos: cimentaciones directas y cimentaciones indirectas.

Una cimentación directa es aquella en la cual los elementos verticales de la superestructura se prolongan hasta el terreno de cimentación, descansando directamente sobre él mediante el

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ensanchamiento de su sección transversal con el fin de reducir el esfuerzo unitario que se transmite al suelo. De este tipo son las zapatas aisladas, las zapatas conectadas, las zapatas ligadas, las cimentaciones por trabes y las losas de cimentación.

Figura 3.1 Cimentación directa (Figura extraída de Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Carlos Crespo Villalaz)

Una cimentación indirecta es aquella que se lleva a cabo por elementos intermedios como los pilotes, cilindros y cajones de cimentación ya que el suelo resistente se encuentra relativamente a gran profundidad.

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Figura 3.1.a Cimentación por Pilotes (Figura extraída de Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Carlos Crespo Villalaz)

Figura 3.2.b Cilindros de Cimentación (Figura extraída de Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Carlos Crespo Villalaz)

La adecuada selección del tipo de cimentación debe atender los siguientes aspectos: tipo de subsuelo, cargas y compatibilidad entre el tipo de carga y las características del subsuelo, capacidad de carga del suelo de cimentación, probables asentamientos, adaptabilidad, economía y características de construcción.

Asentamientos.

Asentamientos inmediatos.

Se estimarán los asentamientos inducidos inmediatamente al construir, llenar o vaciar el tanque, recurriendo a la teoría de la elasticidad. Si el subsuelo puede considerarse homogéneo e isótropo se emplearán las fórmulas siguientes:

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Asentamiento en el centro de un área rectangular cargada: 𝑞𝐵(1 − 𝑣 2 ) ∆𝑝 = 𝐼𝑤 𝐸

(3.1)

Iw = factor de influencia E = módulo de elasticidad del suelo, t/m2 ν = relación de Poisson del suelo Δp = asentamiento, m q = carga uniforme repartida al encontrarse lleno el tanque, t/m2 B = dimensión lateral menor, m.

Tomando en cuenta que generalmente el suelo está constituido por estratos horizontales de características elásticas diferentes, con frecuencia será necesario recurrir al método de Steinbrenner para calcular este tipo de movimiento.

De acuerdo con este método, el asentamiento Δpd bajo una esquina de un área rectangular de carga uniforme q localizada en la superficie de una capa elástica de espesor D se calcula como sigue:

∆𝑝𝑑 =

𝑞𝐵 [(1 − 𝑣 2 )𝐹1 + (1 − 𝑣 − 2𝑣 2 )𝐹2 ] 𝐸

Δpd = asentamiento en la esquina A del área cargada, m q = carga uniforme repartida, t/m2 B = ancho del área cargada, m. D = espesor del estrato,m E = módulo de elasticidad del estrato, t/m2 ν = relación de Poisson del estrato L = largo del área cargada, m F1, F2 = factores de influencia, en función de D, L, B (factores de Steinbrenner)

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(3.2)