Ing. Ricardo Vega Huerta Ingeniero Civil - CIP 52925 INFORME TÉCNICO ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS CON FINES DE CIMEN
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INFORME
TÉCNICO
ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS CON FINES DE CIMENTACIÓN
PROYECTO: C.E. 16210 ALEJANDRO SANCHEZ ARTEAGA
DISTRITO
: BAGUA GRANDE.
PROVINCIA
: UTCUBAMBA.
DPTO
: AMAZONAS.
MARZO 2,005
C.E. 16210 - ALEJANDRO SANCHEZ ARTEAGA
AMAZONAS – UTCUBAMBA – BAGUA GRANDE
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INDICE
1.00
GENERALIDADES 1.10 Objeto del estudio. 1.20 Ubicación del área en estudio. 1.30 Accesibilidad 1.40 Condiciones climáticas. 1.50 Características del proyecto.
2.0
GEOLOGÌA Y SISMICIDAD
3.0
INVESTIGACIÓN DE CAMPO 3.10 Calicatas de exploración 3.20 Toma de Muestras y obtención de Densidades de Campo. 3.30 Pruebas de Penetración Dinámica Ligera
4.0
ENSAYOS DE LABORATORIO 4.10 Clasificación de Suelos.
5.00
DESCRIPCIÓN DEL PERFIL ESTRATIGRÁFICO
6.00
ANÁLISIS DE CIMENTACIÓN 6.10 Profundidad de Cimentación 6.20 Tipo de Cimentación. 6.30 Cálculo de la capacidad portante 6.40 Análisis de asentamientos
7.0
EVALUACION DE LAS CARACTERÍSTICAS EXPANSIVAS DEL SUELO
8.0
AGRESIVIDAD DEL SUELO A LA CIMENTACIÓN
9.0
TRATAMIENTO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA LOSA DEPORTIVA, PATIO Y PISOS INTERIORES DE AULAS
10.0
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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ANEXOS
ANEXO I
Registros de sondajes y excavaciones
ANEXO II
Resultado de ensayos de laboratorio
ANEXO III
Material fotográfico
ANEXO IV
Ubicación de calicatas y columnas estratigráficas
ANEXO V
Mapa de zonificación sísmica del Perú
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INFORME TÉCNICO 1.00
GENERALIDADES 1.10
Objeto del Estudio
El objetivo del presente Informe Técnico, es exponer los resultados del Estudio de Mecánica de Suelos realizado en el Centro Educativo 16210 Alejandro Sanchez Arteaga”, encargado por la Oficina de Infraestructura del Ministerio de Educación, en el marco del “Convenio para el Mejoramiento de la Educación Secundaria” suscrito entre La República del Perú y el Banco Interamericano de Desarrollo (BID). 1.20
Ubicación del área en Estudio
El área en estudio se encuentra en el local escolar del Centro Educativo 16210 “Alejandro Sanchez Arteaga” ubicado en el distrito de Bagua Grande, provincia de Utcubamba, departamento de Amazonas. 1.30
Accesibilidad
El departamento de Amazonas se ubica en la parte norte del Perú. La ciudad de Bagua Grande, capital de la provincia de Utcubamba dista de la ciudad de Lima aproximadamente 950 km . El viaje en ómnibus de Lima a Bagua Grande dura aproximadamente 18 horas, transitando por una vía asfaltada, tanto en el tramo de la carretera Panamericana norte hasta Chiclayo, como la carretera de penetración a Bagua Grande. 1.40
Condiciones Climáticas y Altitud
El clima es cálido y húmedo, de naturaleza netamente tropical con fuertes precipitaciones, siendo el período predominante de lluvias entre los meses de enero a marzo. La temperatura máxima es de 35ºC y mínima es de 25ºC. El emplazamiento del local escolar se encuentra aproximadamente a 500 m.s.n.m
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1.50
Características del Proyecto
El presente estudio servirá para el mejoramiento de las instalaciones del Centro Educativo 16210 “Alejandro Sànchez Arteaga”, en el marco del Proyecto de “Mejoramiento de la Educación Secundaria” correspondiendo en este caso a la construcción de infraestructura educativa con módulos estándar diseñados con estructuración convencional. Al respecto, para evaluar la transmisión de cargas se ha preparado un modelo estructural preliminar, teniendo como base los módulos escolares que ha construido el estado peruano en los últimos años, luego de la implementación
de
las
Norma
E.030.97
y
E.030.03.
de
Diseño
Sismorresistente. El modelo es de dos pisos y esta constituido por muros de albañilería, pórticos de concreto armado, y un segundo piso cuyo techo es a “dos aguas”. Las cargas se consideraron de conformidad con la Norma E.020 de Cargas. (300 Kg/m2 para Aulas, 400 Kg/m2 para corredores, 100 Kg/m2 para azoteas). El modelo se presenta gráficamente a continuación:
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De conformidad con lo dispuesto en el Art. 3.1.b de la Norma E.050 de Suelos y Cimentaciones, para el cálculo de asentamientos en suelos cohesivos, se considerará la Carga muerta mas el 50% de la carga Viva, sin considerar reducciones. Como veremos mas adelante se han encontrado en la
zona
de
investigación
básicamente
suelos
plásticos
de
alta
compresibilidad tipo CH, que corresponden a la clasificación cualitativa antes mencionada. Luego de procesar la información tenemos que la zapata con mayor carga axial de acuerdo al criterio explicado, soporta es del orden de 34.50Tn.
2.0 GEOLOGÌA Y SISMICIDAD 2.1 GEOLOGÌA Geomorfología La Regiòn estudiada pertenece al Valle sinclinal de Utcubamba, cuyas características de fondo y los flancos son condicionadas por la litología y la estructura geológica. El Valle sinclinal de Utcubamba es un valle amplio con un perfil transversal asimétrico, en cuyo fondo plano discurre el río con un desarrollo algo meandriforme (Bagua Grande). El flanco Oeste tiene una pendiente de 15º a 20º al NE definido por una inclinación homoclinal de los estratos cretáceos; en tanto que el flanco Este tiene una pendiente más empinada e irregular, con desarrollo de lomadas y escapas en el extremo Oriental. Los ríos y quebradas transversales forman valles encañados cuando atraviesan rocas mesozoicas; en cambio la parte central es suave, debido a la presencia de rocas cenozoicas menos resistentes.
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Geología Las acumulaciones de sedimentos durante el cuaternario han sido variadas y de intensidad cambiante en toda la extensión de área de estudio; en donde los procesos de acumulaciòn que predominaron, han sido fluviales aluvionales y coluviales. Los depósitos fluviales se han delimitado mayormente a lo largo del lecho de los ríos principales que discurren en el área de estudio. Su fragmentometría es variada e incluye los rangos de gravas, arenas, limo y arcilla en el caso de los ríos que discurren sobre áreas planas como el Tónchima, el tramo superior del Chiriaco y el curso inferior del río Utcubamba. En los mapas geológicos se han cartografiado como depósitos aluviales (Qal) a aquellos depósitos inconsolidados que han sido acumulados por la combinación de procesos coluviales, aluvionales y fluviales y que generalmente se ubican en las partes bajas inmediatas a las zonas elevadas y en los lechos de valles. Sus grosores son variables al igual que su extensión, igualmente su composición lito-clástica y su fragmentometría, dependen de las rocas que han servido de fuente y de la distancia a aquella. 2.2 SISMICIDAD El área estudiada se encuentra en la Zona II de Sismicidad, de acuerdo al “Mapa de Zonificación Sísmica del Perú” y las Normas de Diseño SismoResistente del Reglamento Nacional de Construcción correspondiéndole de acuerdo esto, los siguientes factores sísmicos: Factor de Tipo de Suelo, S = 1.40 Factor de Zonificación Sísmica, Z = 0.30 g Periodo, Tp = 0.90seg
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3.0
INVESTIGACIÓN DE CAMPO Para determinar las características físico mecánicas del suelo, lo cual nos ha permitido estimar las condiciones de resistencia para la cimentación, se ha realizado una investigación con cuatro calicatas así como tres ensayos de penetración dinámica ligera (DPL), habiéndose extraído muestras representativas en suficiente cantidad para la ejecución de los respectivos ensayos de laboratorio. 3.10 Calicatas de exploración Se realizó la excavación de cuatro calicatas de tal manera que se cubriera el área de influencia del posible emplazamiento de la cimentación de las construcciones a proyectar. Extrayéndose muestras en cantidad suficiente que nos ha permitido inferir características del sub suelo, complementando la información obtenida con los ensayos de penetración. La profundidad de las calicatas excavadas fue la siguiente:
Calicata Nº
Profundidad (m.)
C–1
3.00
C–2
3.00
C–3
3.00
C–4
3.00
3.20 Toma de Muestras y obtención de Densidades de Campo. De las excavaciones se extrajeron cuatro muestras, obteniéndose valores de la densidad natural del suelo mediante el método de anillo graduado. 3.30
Pruebas de Penetración Dinámica Ligera Para complementar la investigación se realizó también tres pruebas de resistencia in situ. Mediante ensayos de Penetración Dinámica Ligera
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(D.P.L.). Ensayo que consiste en hincar un tubo de medidas estándares (diámetro 7/8”) y una punta cónica de penetración con un ángulo de 90º, por medio de una masa de fierro de 20 kilos de peso, dejada caer desde una altura de 0.56 metros, contabilizándose el número de golpes necesarios para hacer penetrar el tubo una profundidad de 0.10 metros (NDP). Para mayor referencia se puede ver el artículo “Penetración Dinámica Ligera (DPL)”, presentado como ponencia en el XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil realizado en la ciudad de Puno, por los Ingenieros Alberto Martínez Vargas y José Martínez Del Rosario. Estos Ensayos alcanzaron las siguientes profundidades :
D.P.L. Nº
4.0
PROFUNDIDAD
DP1
(m.) 4.00
DP2
1.60
DP1
3.40
ENSAYOS DE LABORATORIO Se realizaron los respectivos ensayos de Mecánica de Suelos de acuerdo a las normas ASTM, y según la relación que se indica. Los que han permitido determinar la clasificación de acuerdo al sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS). -
Análisis Granulométrico por Tamizado ASTM D-422.
-
Contenido de Humedad ASTM D-2216.
-
Limite Líquido ASTM D-4318.
-
Limite Plástico ASTM D-4318
-
Ensayo de Corte Directo ASTM D-3080
-
Contenido de Sulfatos, Cloruros, Sales Solubles. BS 1377- Parte3.
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4.10
Clasificación de Suelos Los suelos han sido clasificados de acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), como se puede apreciar en los certificados de los ensayos de laboratorio en el anexo II.
5.0
DESCRIPCIÓN DEL PERFIL ESTRATIGRÁFICO En la investigación de campo realizada, se ha podido determinar la presencia en toda la extensión del terreno de una capa de suelo de relleno de un máximo de 0.50m. bajo la cual subyace un suelo natural arcilloso clasificado como arcilla inorgánica de alta plasticidad (CH), suelo que ha sido encontrado en las cuatro excavaciones realizadas. Asimismo se ejecutó tres ensayos de penetración habiéndose obtenido en los ensayos DP-1 y DP-2 realizados en el área de influencia de las cuatro excavaciones valores no menores de 11 golpes hasta la máxima profundidad investigada de 4.00m. Mientras en el DP-1 realizado cerca a la zona de ingreso se han obtenido valores de 5 golpes.
6.0
ANÁLISIS DE LA CIMENTACIÓN 6.10
Profundidad de Cimentación Tomando en cuenta la estratigrafía encontrada y la profundidad en la que se ha encontrado el suelo arcilloso en la zona de emplazamiento del proyecto, se ha considerado una profundidad mínima de cimentación Df=1.20m.
6.20
Tipo de Cimentación De
acuerdo
a
las
condiciones
de
suelo
encontradas
y
las
características del proyecto, se recomienda utilizar zapatas rígidas, da tal manera de inducir una reacción uniforme en las zapatas. Para las
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cargas estimadas en el item 1.50, se supondrá un ancho de zapata corrida de 2.00 m. 6.30
Cálculo de la Capacidad Portante A la profundidad antes mencionada, los cimientos se deberán apoyar sobre el suelo natural, cuyas características de resistencia se han determinado a partir de ensayo de corte directo en laboratorio y ensayo de compresión simple, correlacionado con características obtenidas in situ. Realizándose un cálculo con los siguientes resultados: Suelo de fundación
Suelo arcilloso
Angulo de fricción interna
=0º
Cohesión
C= 0.33 Kg/cm2.
Densidad
= 1.97 Tn/m3.
Luego aplicando la relación propuesta por Karl Terzaghi la Capacidad Portante Admisible (criterio de falla general) para el caso de suelos cohesivos, tendrenmos lo siguiente:
Qu= Sc.C.Nc+Sq. .Df.Nq Donde: Profundidad de Cimentación
Df
= 1.20m
Factores Adimensionales
Nc
= 5.14
Nq
= 1.00
Factor de Seguridad
F.S. = 3.00
Qad = q ult/FS Zapatas corridas: Df = 1.20m.
Qu = 19.33 ton/m2 C.E. 16210 - ALEJANDRO SANCHEZ ARTEAGA
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Qad = 0.65 Kg/cm2 6.40
Análisis de Asentamientos Se ha adoptado el criterio de limitar el asentamiento total de la cimentación a 2.54cm. Así, el asentamiento elástico inicial según la Teoría de la elasticidad (Lambe y Withman, 1,969), está dado por:
s
qB (1 u 2 ) IW Es
Donde: S = Asentamiento (cm) Q = Esfuerzo neto transmitido (CC=0.65Kg/cm2) B = Ancho de cimentación (CC=0.60) Es = Módulo de Elasticidad (50kg/m2.) u = Relación de Poissón (0.30). Iw= Factor de Forma (210). Se recomienda que para la resistencia propuesta, la cimentación procure ser rigidizada, considerando un peralte apropiado para la misma, evitando en lo posible utilizar cimentaciones flexibles, toda vez que los asentamientos producidos sobre el suelo de fundación, no tienen compatibilidad con dicho sistema de cimentaciones. Para los parámetros obtenidos se verifica :
qad =0.65kg/cm2 para un asentamiento permisible s =0.76cm.
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7.00
EVALUACION DE LAS CARACTERÍSTICAS EXPANSIVAS DEL SUELO Durante la visita se pudo observar algunos daños en las edificaciones que podrían estar ligados a fenómenos de expansión del suelo subyacente a la superficie. De manera general, el potencial expansivo de un suelo se relaciona con su ìndice de plasticidad, en la tabla siguiente, se indican varios grados de capacidad expansiva y los intervalos correspondientes del índice de plasticidad (Peck, Hanson y Thorburn). Indice de Plasticidad
Potencial de Hinchamiento
0-15 10-35 20-55 > 55
Bajo Medio Alto Muy Alto
En nuestro caso tenemos un IP característico de 48%, lo que nos indica que cualitativamente el potencial de hinchamiento es relativamente Alto. Por consiguiente estudiaremos a continuación dos criterios para estimar la presión de expansión del estrato compresible. David y Komornik (1969), propuso una ecuación que se utiliza para calcular la presión de expansión. Esta se encuentra basada en un extenso análisis estadístico de mas de 200 muestras de suelo, la ecuación propuesta es la siguiente:
Log ( Po) 2.132 0.0205LL 0.665d 0.0269Wó Donde: Po= Presión de hinchamiento (Kg/cm2) LL= Límite Líquido (%)
d=1.62 Tn/m3
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Wo= Humedad natural en porcentaje. Reemplazando tenemos: Po=0.42 Kg/cm2 Otro criterio muy utilizado para la estimación de la presión de expansión es el propuesto por VIJAYVERGIVA y GHAZZALY (1973), la ecuación propuesta es la siguiente:
Log ( Po)
1 (62.50d 0.65 LL 139.50) 19.50
Reemplazando tenemos: Po=0.43 Kg/cm2 Como se observa la capacidad de soporte (0.65 Kg/cm2) es mayor que los resultados obtenidos para la presión de expansión, por lo que no se espera que las edificaciones que trasmitan la carga “se levanten”. Sin embargo se deberá tener especial cuidado en lo que respecta a los patios y veredas.
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8.00
AGRESIVIDAD DEL SUELO A LA CIMENTACIÓN Se realizaron pruebas para determinar a concentración elementos químicos agresivos al Concreto, en el Laboratorio de Agua y Suelos de la facultad de Ingeniería Agrícola de la Universidad Nacional Agraria “La Molina”, obteniendo los siguientes resultados: Cloruros como ión Cl- (ppm)
=
280.00ppm.
Sulfatos con ión SO4 (ppm)
=
2,025.89ppm.
Recomendàndose el uso de cemento tipo V, por la concentración de sulfatos y de acuerdo a la siguiente tabla : TABLA DE AGRESIVIDAD QUÍMICA DEL SUELO
Presencia en el suelo de * SULFATOS (SO4)
p.p.m.
Grado de alteración
Observaciones
0 – 1,000 1000 – 2,000 2000 – 20,000 > 20,000
Leve Moderado Severo Muy severo
Ocasiona un ataque químico al concreto de la cimentación
Perjudicial
Ocasiona problemas de corrosión a las armaduras o elementos metálicos.
** CLORUROS (CL)
> 6,000
* Comité 318-83 ACI. ** Experiencia Existente
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9.0
TRATAMIENTO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA LOSA DEPORTIVA, PATIO Y PISOS INTERIORES DE AULAS El terreno deberá seguir el siguiente tratamiento:
-
Remover y retirar las partículas mayores de 2”, raíces y otros en un espesor de 0.60 m.
-
Escarificar y compactar 0.40 este material al 95% de la máxima densidad seca del Ensayo de Proctor Modificado, mezclándolo con 10% de cal en peso para disminuir los posibles efectos del fenómenos expansivo.
-
Preparar la base de afirmado, compactado al 95% de la máxima densidad seca del Ensayo de Proctor Modificado, en un espesor de 0.20 m., que deberá tener las siguientes características:
-
El material debe cumplir los requisitos de granulometría, dados en la tabla siguiente:
% En peso que pasa Gradación A B C D 2” 100 100 --1” -75-97 100 100 3/8” 30-65 40-75 50-85 60-100 N° 4 (4.76 mm.) 25-55 30-60 35-65 50-85 N° 10 (2.00 mm) 15-40 20-45 25-50 40-70 N° 40 (0.420 mm.) 8-20 15-30 15-30 25-45 N° 200 (0.074 mm) 2-8 5-20 5-15 5-20 La granulometría que se adopte dentro de estos límites, tendrá una Tamiz
-
graduación uniforme de grueso a fino. -
La fracción de material que pase la malla N° 200 no debe exceder de ½, y en ningún caso de los 2/3 de la fracción que pase el tamiz N° 40.
-
La fracción de material que pase el tamiz N° 40, debe tener un límite líquido no mayor de 25% y un índice de plasticidad inferior o igual a 6%.
-
Este material también será mezclado con cal al 10% en peso.
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10.0
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1.-
Se ha verificado en las excavaciones realizadas en el área correspondiente a la zona de emplazamiento del proyecto, la presencia de suelo predominantemente arcilloso CH.
2.-
El Proyecto consiste en la construcción de infraestructura educativa con módulos estándar diseñados con estructuración convencional, que transmiten en condiciones de servicio cargas del orden de 34.50 Tn.
3.-
Los parámetros de resistencia que se recomienda utilizar. Han sido definidos de la siguiente manera: Df=1.20m. Terreno de fundación : Suelo arcilloso Qadm=0.65kg/cm2 Asentamiento : 0.76m.
4.-
Parámetros recomendados para el análisis sísmico. Factor de Uso U = 1.50 Factor de Tipo de Suelo, S = 1.40 Factor de Zonificación Sísmica, Z = 0.30 g Periodo, Tp = 0.90seg
5.-
De acuerdo a los resultados de laboratorio obtenidos, se estima que existirá agresividad del suelo. Por lo que se recomienda utilizar Cemento Portland tipo V, para las estructuras de cimentación..
6.-
Para el diseño de muros de contención y calzadura, se utilizará un valor del coeficiente de empuje activo Ka=0.33
7.-
Durante las excavaciones para la cimentación deberá verificarse que se hayan sobrepasado las capas superiores de suelo de relleno. Si al efectuar la excavación para los cimientos hasta las profundidades de cimentación mínimas recomendadas no se satisface este requisito, deberá profundizarse la cimentación hasta cumplirlo y vaciar en
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la
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altura de sobre-excavación efectuada con un falso cimiento de concreto pobre ciclópeo. 8.-
Asimismo, si al nivel de cimentación se encuentra un bolsón de suelos de relleno deberá profundizarse la cimentación hasta sobrepasarlo y vaciar en la altura de sobre-excavación efectuada, un falso cimiento de concreto pobre ciclópeo.
9.-
Por último, en los casos en que en el emplazamiento de un cimiento haya sido efectuada una excavación hasta una profundidad mayor que la profundidad considerada para la cimentación (calicata por ej.), deberá rellenarse a la altura de sobre-excavación efectuada con concreto pobre ciclópeo.
10.-
Los resultados del presente estudio, solo son válidos para la zona de estudio investigada.
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RESUMEN DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIÓN Tipo de cimentación: Zapatas corridas rígidas. Estrato de apoyo a la cimentación: Suelo arcilloso tipo CH. Parámetros de diseño para la cimentación Profundidad de cimentación:
1.20m.
Presión admisible:
Qadm=0.65kg/cm2
Factor de seguridad:
3
Asentamiento máximo tolerable: 0.76cm. Agresión del Suelo : Utilizar cemento Portland tipo V..
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