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UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES – MECÁNICA DE SUELOS II

INFORME Nº 002 – FI/UPLA /MECANICA DE SUELOS II

A

:

MIGUEL A. PINADO SANTOS DOCENTE

DEL

CURSO

DE

MECÁNICA

DE

SUELOS DEL :

GRUPO DE TRABAJO MAYTA USQUIANO, Omar CANALES JACOBI, Jocelyn AVELLANEDA PAITAN, Daysi RAMÍREZ TORRES, Máraly SOLIS JACAY Teobaldo MARCO……….. TRIGOS ESTRADA Wilson Richard NOMBRE……..

ASUNTO:

I) Capacidad de carga en suelos.

FECHA:

Huancayo, 27 de noviembre del 2017

Mediante el presente nos dirigimos a Ud. para saludarlo cordialmente; así también presentarle el informe Técnico sobre los ensayos mencionados anteriormente.

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1. INTRODUCCION: La capacidad de carga del suelo no es más que la resistencia que ofrece el suelo a deformarse, debido a la fuerza de fricción y cohesión entre sus partículas. Por capacidad portante de un suelo se interpreta el estado tensional límite más allá del cual se produce la falla por corte del mismo. Esto se puede visualizar por medio del análisis del modelo mecánico desarrollado por Khristianovich, quien desarrollo una balanza ordinaria, cuyo desplazamiento está restringido por fricción en las guías de los platillos, de tal forma que si un peso suficientemente pequeño se coloca en un platillo, la balanza permanece en equilibrio, pues la fricción en las guías puede neutralizarlo; en cambio, si el peso colocado es mayor que la capacidad de las guías para desarrollar fricción, se requerirá un peso suplementario en el otro platillo, para alcanzar el equilibrio. Se entenderá por equilibrio crítico de la balanza, la situación en la que esta pierde el equilibrio con cualquier incremento de peso en uno de sus platillos. Los métodos que se utilizan para resolver los problemas de ingeniería civil referentes a la capacidad de carga del suelo como cimiento se fundamentan en las matemáticas aplicadas y en la mecánica del medio continuo, contando esta última con dos disciplinas: la teoría de la elasticidad y la teoría de la plasticidad. El estudio de la capacidad de carga del suelo es necesario debido a que Las obras de ingeniería civil descansan, de una u otra forma, sobre el suelo, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético, estará regido por la conducta del material de asiento situado, o por la del suelo utilizado para conformar los rellenos, y si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo, o si aún sin llegar a ellos las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir,

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en casos extremos, el colapso de la obra o a su inutilización y abandono

2. RESEÑA HISTORIA

Desarrollo e Historia de la Mecánica de SuelosForma de trabajo de la geotecnia y la mecánica de suelos Todas las obras de ingeniería civil descansan, de una u otra forma, sobre el suelo, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán regidos, entre otros factores, por la conducta del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por la del suelo utilizado para conformar los rellenos. Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo, o si aún sin llegar a ellos las deformaciones son Entre estos pioneros cabe destacar los nombres de: Carlos A. de Coulomb (1736-1806) Alexander Collin ( ) Tomás Telford (1757-1834) Juan V. Poncelet (1788-1867) Guillermo Rankine (1820-1872) Karl Culmann (1821-1881) O. Mohr (1835-1918) José V. Boussinesq (1842-1929) Coulomb, Poncelet, Collin y Rankine aportaron valiosas experiencias en el análisis de presiones de tierras. Las contribuciones del ingeniero militar francés Coulomb tienen todavía vigencia, en fricción, electricidad y magnetismo. Poncelet ofreció en 1840 un método gráfico para la determinación directa de la superficie de falla y las presiones de tierra activa y pasiva. Collin publicó en 1846 su trabajo "Recherches Expérimentales sur les Glissements Spontanés des Terrains Argileux". Guillermo M. Rankine fue un ingeniero y físico escocés que se distinguió, también, por sus trabajos en termodinámica. Culmann le dio una solución gráfica a la teoría Coulomb

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- Poncelet, permitiendo la resolución de problemas complejos de presiones de tierras.

3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVOS GENERALES 

Saber el comportamiento del suelo cuando es sometido a cargas.

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS  Fallas de suelos cuando es aplicado cargas  Saber formulas para calcular las cargas en los suelos diferentes q podemos conocer. 4. MARCO TEORICO 4.1 CONCEPTOS BASICOS

4.1.2 SUELOS COMPRESIBLES. La compresibilidad es el grado en que una masa de suelo disminuye su volumen bajo el efecto de una carga. A continuación, se dan algunos ejemplos de compresibilidad para diversos suelos: Las gravas y las arenas son prácticamente incompresibles. Si se comprime una masa húmeda de estos materiales no se produce ningún cambio significativo en su volumen. Las arcillas son compresibles. Si se comprime una masa húmeda de arcilla, la humedad y el aire pueden ser expelidos, lo que trae como resultado una reducción de volumen que no se recupera inmediatamente cuando se elimina la carga.En general, la compresibilidad es aproximadamente proporcional al índice de plasticidad. Mientras mayor es el IP, mayor es la compresibilidad del suelo.

4.1.2 CAPACIDAD DE CARGA. La capacidad de carga, que a menudo se llama estabilidad, es la capacidad del suelo para soportar una carga sin que se produzca fallas dentro de su

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masa. La capacidad de un suelo para soportar una carga varía no solamente con la resistencia del suelo, sino también con la magnitud y distribución de la carga. Cuando una carga Q se aplica a un suelo en forma de incrementos graduales, el suelo se deforma y la curva de carga-asentamiento es similar a las curvas

de

esfuerzo-deformación.

(Sowers,

1972)En

Cimentaciones, la O de una cimentación debe entenderse como la

máxima

carga

por

unidad

de

área

quepuedeaplicarsesinquese produzcan desperfectos en la est ructura soportada en

la máxima presión de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzcan una falla o rotura por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. (Laura, 2016)

4.1.3 CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA NETA. Se define como la presión última por unidad de área de la cimentación soportada por el suelo, en exceso de la presión causada por el suelo alrededor al nivel de la cimentación. Si la diferencia entre el peso específico del material que conforma la fundación (ej. HºAº) y el peso específico del suelo que rodea a ésta se supone despreciable, entonces Qneto= qu – q

4.2 TEORÍAS DE CAPACIDAD DE CARGA Uno de los primeros esfuerzos por adaptar a la mecánica de suelos, son los resultadosde la Mecánica del Medio Continuo en la teoría de Terzaghi a partir de esta se generaron otrasteorías como:

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Prandtl Hill Skempton Meyerhof Zaevaert

4.2.1. La teoría de Terzaghi Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga de cimentaciones superficiales, la cual dice que una cimentación es superficial si la profundidad Df de la cimentación es menor que o igual al anc ho de la misma. Sin embargo,investigadores posteriores han sugerido que cimentaciones con Df igual a 3 ó 4 veces el ancho dela cimentación se definen como cimentaciones superficiales. Esta teoría cubre el caso más general, se aplica a suelos con cohesión y fricción, y su impacto en la Mecánica de Suelos ha sido de tal trascendencia que aun hoy es posiblemente la teoría más usada para el cálculo de capacidad de carga en los proyectos prácticos, especial mente en el caso de cimientos poco profunda. Cuya ley de resistencia al corte es: Formula n° 2 Dónde: • ᵠ = Angulo de fricción. • t = Esfuerzo cortante. • c = Cohesión del terreno en cimentación. • tgᵠ = Tangente del ánguloᵠ

Se supone una carga de tipo repartida uniformemente y lineal (zapata continua).La falla por capacidad portante está definida como una rotura del suelo de fundación que ocurre cuando el esfuerzo de corte aplicado al suelo excede a la resistencia al corte del suelo. Las fallas por capacidad portante de cimentaciones superficiales pueden agruparse en tres categorías.

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A) Falla por corte general Como se observa en la Figura 8a una falla por corte general involucra una rotura total del suelo adyacente. Hay una falla continua por corte del suelo desde la base del cimiento hasta la superficie del terreno. En la gráfica carga. Asentamiento del cimiento, hay una carga distinta con la que la

cimentación falla, y esto es generado por la carga última aplicable Qu. El valor de Q u dividido por el ancho B y la longitud L de la cimentación se considera que es la capacidad portante última, qu, del terreno de fundación. La capacidad portante última ha sido definida como el esfuerzo de carga que causa una falla catastrófica súbita de la cimentación. B) Falla por corte local Como se observa en la Figura 8b, la falla por corte local involucra una rotura del suelo sólo a inmediaciones del cimiento. El suelo se eleva en ambos lados del cimiento, pero la elevación(desplazamiento) no es significante como en el corte general. La falla por corte local puede ser considerada una fase transicional entre la falla por corte general y la falla por punzonamiento. Debido a su naturaleza transicional, la capacidad portante puede ser definido como el primer punto no lineal en la curva carga .asentamiento (círculo abierto) o al punto donde el asentamiento crece rápidamente (círculo cerrado). C) Falla por punzamiento Como se observa en la Figura 8 c, una falla por punzonamiento no desarrolla las distintas superficies de corte asociadas con una falla por corte general. En una falla por punzonamiento, el suelo fuera del área cargada no es afectado y hay un movimiento mínimo del suelo en ambos ladosdel cimiento. El proceso de deformación del cimiento involucra la compresión del suelo de bajo del mismo, también el corte vertical del suelo alrededor del perímetro del cimiento. Como vemos en la Figura 8c, la curva carga. Asentamiento no tiene un cambio dramático, y para corte por punzonamiento la capacidad portante

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normalmente se define como el primer punto no lineal en lacurva cargaasentamiento (círculo abierto)

Se desprecia la resistencia al corte del suelo situado sobre la profundidad de fundación Dfal que se considera como una sobrecarga actuando sobre la fundación: Formula n°3 Dónde: • q = Carga • y = Peso específico del suelos • Df = Profundidad del desplante.

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Se propone un mecanismo de falla para una zapata continua uniformemente cargada y el sector de fallas se divide en tres zonas: o zonas I, II y III. • La zona I es una cuña que actúa como si fuese parte de la zapata (estado activo), sus límites forman ángulos de 45º+ᵠ/2 con la horizontal. •La zona II es una cuña de corte radial, dado que las líneas de falla son rectas con origen en Ay espirales logarítmicas con centro en A. La frontera AD forma un ángulo de 45º-ᵠ/2 con la horizontal. •La zona III, es donde se desarrollan las superficies de deslizamientos que corresponden alestado pasivo de Rankine, pues sus límites forman ángulos de 45º ᵠ/2.Con esta hipótesis la capacidad de carga resulta. Formula n°4 Ecuación general de capacidad de carga

Dónde: • qc= Carga de falla. • Nc , N q , N y = Factores de capacidad de carga. • q = Sobre carga efectiva. • B = Ancho de la zapata. Estos factores son adimensionales y son función del ángulo de fricción interna ᵠ. El coeficiente Nc está relacionado con la cohesión del suelo, Nq con la sobrecarga y N ᵧ con el peso de las zonas II y III.

Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría completa para evaluar la

capacidadde

carga

última

de

cimentaciones

aproximadamente

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superficiales. De acuerdo con su teoría, unacimentación es superficial si su profundidad, Df es menor que o igual a su ancho. Sin embargo,

9 investigadores posteriores sugirieron que las cimentaciones con Df igual a tres o cuatro veces su ancho se podían definir como cimentaciones superficiales . (Braja M, 2012)Terzaghi sugirió que para una cimentación continua o corrida (es decir, cuando su relaciónancho a longitud tiende a cero), la superficie de falla en el suelo ante carga última se puede suponer.El efecto del suelo arriba del fondo de la cimentación también se puede suponer que se reemplaza por una sobrecarga equivalente, = (donde es el peso específico del suelo). La zona de falla bajo la cimentación se puede separar en tres partes (consulte la figura 11) (Braja M, 2012)

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Figura: 11Falla de la capacidad de carga en un suelo bajo una cimentación continua rígida en grav q = d f . La zona triangular ACD inmediatamente debajo de la cimentación2. Las zonas de corte radiales ADF y CDE , con las curvas DE y DF siendo arcos de una espirallogarítmica3. Dos zonas pasivas Rankine triangulares AFH y CEG Los ángulos CAD y ACD se suponen iguales al ángulo de fricción del suelo ∅ . Observe que, con el reemplazo del suelo arriba del fondo de la cimentación por una sobrecarga equivalente q , se ignoró la resistencia cortante del suelo a lo largo de las superficies de falla GI y HJ . Aplicando un análisis de equilibrio, Terzaghi expresó la capacidad de carga última en la forma.

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Peso unitario del suelo = Factores de capacidad de carga adimensionales y sólo son funciones del ángulo de fricción del suelo, ∅. Es evidente el escaso rigor de la superposición de diferentes mecanismos de rotura y los errores inherentes al considerar valores constantes de los parámetros de resistencia para cualquier nivel de presiones y en cualquier punto de la superficie de rotura. Sin embargo la aproximación obtenida resulta suficiente a efectos prácticos

4.2.2 TEORÍA DE SKEMPTON. Esta teoría se desarrolló para suelos puramente cohesivos, en donde Nc es dependiente de la profundidad de empotramiento del cimiento en el estrato firme, creciendo conforme aumenta D hasta un valor máximo para D/B>4.5 ( fig. 9). La expresión correspondiente es: . qc = c Nc + γ Df (7)

2.1.3 TEORÍA DE MEYERHOF. En la teoría de Terzaghi no se toman en cuenta los esfuerzos cortantes desarrollados en el suelo arriba del nivel de desplante del cimiento. El suelo arriba del nivel de desplante se toma en cuenta únicamente como una sobrecarga perfectamente flexible; pero no como un medio a través del cual puedan propagarse superficies de deslizamiento o en el cual pueda desarrollarse resistencia al esfuerzo cortante. Meyerhof trató de cubrir esta deficiencia con una teoría de capacidad de carga que ha alcanzado amplia difusión en épocas recientes. En este caso, para cimientos largos, se supone que la superficie de deslizamiento con la

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falla del cimiento tiene la forma que se muestra en la fig. 11. En las tablas 41 a 4-4 y 4-5a a 4-5c, son un resumen de las diferentes teorías de capacidad de carga más utilizadas en el medio geotécnico.

Ecuación general de la capacidad de carga Las ecuaciones de la capacidad de carga última (2), (6) y (7) son sólo para cimentaciones continuas, cuadradas y circulares; no abordan el caso de

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cimentaciones rectangulares (0 ,BY L,1).Además, las ecuaciones no toman en cuenta la resistencia cortante a lo largo de la superficie de falla en el suelo arriba del fondo de la cimentación (la parte de la superficie de falla marcada como GI y HJ en la figura 3.5). Además, la carga sobre la cimentación puede estar inclinada. Paratomar en cuenta todos estos factores, Meyerhof (1963) sugirió la forma siguiente de la ecuación general de la capacidad de carga

Factores de capacidad de carga La naturaleza básica de la superficie de falla en un suelo sugerida por Terzaghi ahora parecehaberse confirmado por estudios de laboratorio y de campo de la capacidad de carga (Vesic, 1973).Sin embargo, el ángulo a que se muestra en la figura está más cercano 45 ∅2⁄ que ∅ . Si seacepta este cambio, los valores de Nc, Nq y N para un ángulo de fricción del suelo dado tambiéncambiarán respecto a los dados en la tabla =

4

5

∅2⁄

, se puede demostrar que

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4.6 CALCULO DE CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS 5. CONCLUSIONES 

Esta unidad llamada Teorías de Capacidad de Carga en Suelos me sirvió en lo personal primeramente a conocer las diferentes teorías y sus restricciones, además que analizamos los diferentes tipos de fallas que puede tener una cimentación, como son; falla por corte general, por punzamiento y por corte local.



Aprendí a resolver problemas relacionados con capacidad de carga, donde se ven involucrados datos como el ángulo de fricción interna de un suelo (Ø), peso volumétrico del suelo cohesivo

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS  Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez. Mecánica de suelos, tomo II. (2ª Edición;México: Editorial LIMUSA, 2003) pp. 343 – 431.  Terzaghi, Karl. Mecánica teórica de suelos. (2ª Edición; Buenos Aires, Argentina:ACME agency, 1949) pp. 132 – 161.  Normas AASHTO. sección 10, Fundaciones (SI). (año 2002) pp. 1 – 21, 36 – 107.

7. ANEXOS Commented [A1]:

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