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• EdgarCarlosCaceres

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGRICOLA

MECANICA DE SUELOS II

Mg. Ing Roberto Alfaro Alejo June 25, 2019

Usualmente es la opcion mas economica • Facil para construir • Adecuada para pequeñas – medianas estructuras • Adecuada para moderados – buenos suelos • Como regla general, considerar cimentaciones profundas unicamente cuando cimentaciones superficiales no dan un diseño satisfactorio • Tipos de Cimentaciones Superficiales •

• • • •

Zapatas Aisladas (cuadrada, circular, rectangular) Zapatas Combinadas Zapatas Continuas Losas o Plateas de Fundacion

Ing. Roberto Alfaro

Zapatas

Losa o Platea

Zapata

Pilotes ARCILLA

Pilotes

ARENA

Cuadrada

Rectangular Muro portante

Circular Ing. Roberto Alfaro

Continua

Losa o Platea de Cimentacion

Combinada

Ing. Roberto Alfaro

Zapatas aisladas o simples son usados para soportar columnas individuales. Este es uno de los mas economicos tipos de zapatas y son usadas cuando columnas estan espaciadas en relativamente largas distancias.

Columna

Columna

Ing. Roberto Alfaro

Columna

Se usan cuando la capacidad del terreno es baja, y el numero de niveles crece aumentando el peso actuante sobre el suelo. Tambien se usan cuando existen columnas muy cercanas en una direccion y columnas alejadas en otra direccion. El diseño se hace en la dirección longitudinal y transversal.

Ing. Roberto Alfaro

Zapatas Continuas Muro portante

Zapata de Muro Continua

Combinada

Ing. Roberto Alfaro

Anillo

Zapatas Combinadas usualmente soporta dos columnas, o tres columnas. Se usan cuando las columnas estan bastante cerca o, y las dimensiones en planta de las zapatas estan casi en contacto entre si

Columna

Columna Elevacion

Zapata Planta

Ing. Roberto Alfaro

Zapatas Cantilever o Conectadas consiste de dos zapatas simples conectadas con una viga o un strap y soporta dos columnas simples. Este tipo reemplaza a las zapatas combinadas y es mas economica.

Columna Interior Columna Exterior (carga o zapata excentrica)

Viga de Conexion

Ing. Roberto Alfaro

Losa o Platea de Cimentacion consiste de una zapata usualmente colocada bajo el area de construccion entera. Estos son usados, cuando la capacidad portante del suelo es baja, cargas de columna son grandes zapatas simples no son usadas, pilotes no son usados y asentamiento diferencial debe ser reducido.

Ing. Roberto Alfaro

Columna Elevacion

Zapata

Planta

Ing. Roberto Alfaro

Cimentaciones Superficiales son generalmente diseñados para satisfacer dos criterios: capacidad portante y asentamiento. • Criterio de capacidad portante asegura que hay una adecuada proteccion contra posible falla por corte del suelo subyacente; el criterio es similar a diseñar por el estado limite ultimo, y se garantiza a través de la provisión de un factor de seguridad adecuado de aproximadamente tres (F.S.=3) •

Ing. Roberto Alfaro

•

Criterio de Asentamiento asegura que el asentamiento esta dentro de limites aceptables. Por ejemplo, las zapatas aisladas y continuas usadas en suelos granulares estan generalmente diseñados para asentar menos de 25 mm. Esto es similar al diseño por el estado limite de serviciabilidad.

Ing. Roberto Alfaro

• •

Asentamiento tolerable (norma E 050 Suelos y Cimentaciones) En todo EMS se deberá indicar el asentamiento tolerable que se ha considerado para la edificación o estructura motivo del estudio. El Asentamiento Diferencial (fig. 5) no debe ocasionar una distorsion angular mayor que la indicada en la tabla N° 8. En el caso de suelos granulares el asentamiento diferencial se puede estimar como el 75% del asentamiento total.

Ing. Roberto Alfaro

Ing. Roberto Alfaro



Presion Portante Es la fuerza de contacto (carga concentrica) dividida por area de cimentacion.

– Presion Portante Bruta (q) [capacidad portante] – Presion Portante Neta (q´) [estimac. asentamiento] 

Capacidad Portante Es la aptitud del suelo para asegurar soporte a la estructura. (cuánto esfuerzo puede realizar un terreno antes de que falle).

– Capacidad Portante Ultima (qult) – Capacidad Portante Admisible(qa) = qult /F.S.

Ing. Roberto Alfaro

Pcol

+ Wf

P

D

+

gD

q

D

B

q

B

P = Pcol + Wf + B2 gD q = P / B2 (zapata cuadrada)

Ing. Roberto Alfaro

´ Pcol

+ Wf

P´ D

q´

D

B

q´

B

P´ = Pcol + Wf q´ = P´ / B2 - s´zD Ing. Roberto Alfaro

(zapata cuadrada)

Cuando la carga P de la columna es aplicada en el centroide de la zapata, una presion uniforme es asumida desarrollar sobre la superficie del suelo debajo del area de la zapata. Sin embargo la distribucion real del suelo no es uniforme, sino depende de muchos factores especialmente la composicion del suelo (rigidez de suelo) y grado de flexibilidad de la zapata (rigidez de la zapata).

Ing. Roberto Alfaro

P

Columna

Zapata

Ing. Roberto Alfaro



Carga Columna (Ex 5.1) q



P Wf A

 uD

Carga Muro (Ex 5.2) P Wf b u q b D B Ing. Roberto Alfaro



Presion Portante Neta (q´)

q  q  s zo 

Fundacion Flotante – Cuando q´ = 0 – Ejemplo: Edificio Universitario en MIT (Lambe, 1981) Estimado sin flotacion asentamiento = 30 cm y asentamiento con flotacion parcial es 5 – 7.5 cm

Ing. Roberto Alfaro

PESO DE SUELO EXCAVADO

• Fig muestra el centro de estudiantes MIT • Plateas de cimentacion • Tecnicas de Flotation Edificio en cimentacion material superficial Peso del edificio Peso Muebles, Personas, etc. (tiempo promedio) Peso del suelo excavado Carga Neta a la arcilla

Ing. Roberto Alfaro

Ing. Roberto Alfaro

Ing. Roberto Alfaro

qmin

 P Wf  e    u D 1  6  B  A 

qmax

 P Wf  e    u D 1  6  B  A 

Ing. Roberto Alfaro

Ing. Roberto Alfaro

 P Wf  eB eL  q    u D 1  6  6  B L  A  Para presion contacto permanezca (+) en todas partes,

6eB 6eL   1.0 B L Ing. Roberto Alfaro

•

Los Problemas de Mecanica de Suelos pueden ser divididas en dos grupos principales - Problemas de Estabilidad y

Problemas de Elasticidad - Karl Terzaghi, 1943

Ing. Roberto Alfaro

Solo partes mas bajas del deposito intactas Area levantada Grietas

Hoyo comprimido durante barrenado Probable superficie deslizamiento

Ing. Roberto Alfaro

LadoIng.Oeste de fundacion se hundio 7.30 metros Roberto Alfaro

•

Analisis Capacidad Portante

•

Como estimamos la presion de soporte maxima que el suelo puede resistir antes de que ocurra la falla?

Ing. Roberto Alfaro



a) Falla por Corte General tipo mas comun de falla por corte; ocurre en suelos resistentes y rocas



b) Falla por Corte Intermedio entre falla por corte general y punzonamiento



c) Falla por Corte por Punzonamiento Ocurre en arenas muy sueltas, arcillas debiles 34

Asentamiento

Carga

Ing. Roberto Alfaro

Asentamiento

Carga

Ing. Roberto Alfaro

Asentamiento

Carga

Ensayo Superficial

Ing. Roberto Alfaro

Corte General

Profundidad Relativa

Corte Local

Corte Punzonamiento

Densidad Relativa de Arena Ing. Roberto Alfaro

   

Zapatas en arcillas – Corte general Zapatas en arenas densas( Dr > 67%) - Corte general Zapatas en Sueltas a medianamente densa (30%< Dr < 67%) – Corte Local Zapatas en Arenas Muy Sueltas ( Dr < 30%)-

Corte punzonamiento

Ing. Roberto Alfaro

Formulas de Capacidad Portante

q=

Superficie de Corte

qult  Nc su  s zD Ing. Roberto Alfaro

Formulas de Terzaghi para Capacidad Portante (1943)

Presion Sobrecarga = q

Zona de Cuña

Zona Pasiva

Superficie de Corte Inferior Zona Corte Radial Ing. Roberto Alfaro

Para Cimentaciones Continuas:

qult  cN c  qN q  0.5g BN g Para Cimentaciones Cuadradas:

qult  1.3cN c  qN q  0.4g BNg Para Cimentaciones Circulares:

qult  1.3cN c  qN q  0.3g BNg Ing. Roberto Alfaro

Factores de Capacidad Portante, Terzaghi, (1943)    tg  N q  tg  45    e 2  2

Nc

 N 

q

 1

tg

N g  2N q  1 tg Ing. Roberto Alfaro

DB  No deslizamiento entre zapata y suelo  Suelo: una masa homogenea semi-infinita  Falla por Corte General  Zapata es muy rigida comparada al suelo 

Ing. Roberto Alfaro

Skempton (1951)  Meyerhof (1953)  Brinch Hanson (1961)  De Beer and Ladanyi (1961)  Meyerhof (1963)  Brinch Hanson (1970) Ver Libro  Vesic (1973, 1975) 

Ing. Roberto Alfaro

1 qu  cN c Fcs Fcd Fci  qN q Fqs Fqd Fqi   g BN g Fg s Fg d Fg i 2

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Formula General Factor de capacidad de carga (Obtenida de expresiones matemáticas exactas, similar al propuesto por Terzaghi)

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50

 = ángulo de inclinación, en grados, de la carga sobre la cimentación respecto a la vertical.

51

Factor de Inclinacion del terreno (g) o [Fg]  Factor base (b) o [Fb]  Factor de Rigidez (r) o [Fr] 

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 

Para zapatas con base cimentacion en angulo cuando la Zapata esta a nivel, b = 1

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• para zapatas corridas, s=1 • para carga perpendicular, i=1 • para nivel de fundacion, b =1 • para nivel de terreno, g =1 • Necesitamos calcular factores - Factor de Capacidad Portante N, - Factor de Profundidad d

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6.3 Efectos de Aguas Subterraneas  6.4 Capacidad de Soporte Admisible  6.5 Selección de parámetros de Resistencia de Suelo  6.6 Casos corte Local & Punzonamiento  6.7 Capacidad Portante en Suelos Estratificados  6.8 Precision de Análisis de Capacidad Portante  6.9 Hoja de Calculo de Capacidad Portante 

Ing. Roberto Alfaro



La capacidad de carga admisible es la capacidad de carga ultima reducida por un factor de seguridad

qadm   

qult  FS

Para análisis de capacidad portante, el Factor de Seguridad adoptado es 3. El valor de la capacidad admisible es considerado como dato para el diseño estructural. Se define como Carga Bruta, a la carga admisible que puede soportar el terreno de cimentación.

Q = qadm  ( Area efectiva )  qadm  ( B  L) Ing. Roberto Alfaro

Minimos Factores de Seguridad Factor de Seguridad de Diseño

Categoria

Estructura Tipica

Caracteristicas de Categoria

Exploracion de Suelo Detallada y Completa

Puente de Ferrocarril, almacenes, altos hornos, hidráulica, muro de contención, silos

Carga de diseño máxima probable que ocurra con frecuencia; consecuencias de la falla desastrosas

Puente de carreteras, edificios ligeros industriales y edificios públicos

Carga de diseño máxima probable puede ocurrir ocasionalmente; consecuencias de la falla graves

Edificios de apartamentos y oficinas

Carga de diseño máxima poco probable de ocurrir Ing. Roberto Alfaro

Exploracion de Suelo Limitada

 Use Parametros de Resistencia Saturados  Use Resistencia No Drenada en arcillas (Su)  Use Resistencia Drenada en arenas, c and    Suelos Intermedios donde existe condiciones parcialmente drenadas, ingenieros tienen varias opiniones; Resistencia No Drenada puede ser usada pero ello sera conservador! Ing. Roberto Alfaro

Efectos de Aguas Subterraneas

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Aguas subterraneas superficiales afectan Resistencia cortante en dos maneras: 

Reduce cohesión aparente que tiene lugar cuando los suelos no están saturados; puede requerir la reducción de la cohesión medida en el laboratorio



Incremento de la presión de poros de agua; reduce tanto la esfuerzo efectivo y la resistencia al corte en el suelo (mismo problema que se experimenta con taludes no soportados)

62

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Excentricidad

Inclinacion

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En la mayoría de casos, las cimentaciones son sometidas a momentos, además de la carga vertical como se muestra a continuación. En tales casos, la distribución de la presión por la cimentación sobre el suelo no es uniforme.

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Note que en estas ecuaciones, cuando la excentricidad e se convierte en B/6, qmin es cero.  Para e > B/6, qmin sera negativo, que significa que se desarrollara tension o traccion.  Debido a que los suelos pueden sostener muy poca tensión, habrá una separación entre el pie y el suelo debajo de ella.  También tenga en cuenta que la excentricidad tiende a disminuir la capacidad de carga de una fundación.  En tales casos, la colocación de la columna fundación fuera del centro, como se muestra en la Figura es probablemente ventajoso.  Si lo hace, en efecto, produce una cimentación cargada en el centro con una presión uniformemente distribuida 

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

Considerar una Zapata sujeta a una carga ultima vertical Qult y un momento M como se muestra en Figuras a y b. Para este caso, los componentes del momento M cerca del eje x and y son Mx and My respectivamente. Esta condicion es equivalente a una carga Q colocada excentricamente en la Zapata con x = eB and y = eL como se muestra en la Figura d.

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Una cimentacion cuadrada se muestra en la figura. Asumir que tiene una excentricidad de carga en un sentido e=0.15m. Determine la carga ultima Qult.

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Usando los datos del ejemplo anterior, y teniendo una excentricidad de dos sentidos, segun la figura, determine la carga ultima Qult.

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Ejemplo 2

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Ejemplo 3 Una Zapata cuadrada (BxB) fue construido como se muestra en la figura. Asumir que g = 105 lb/ft3, gsat = 118 lb/ft3, ’=34°, Df = 4 ft, y D1 = 2 ft. la carga admisible bruta, Qall, con FS = 3 es 150,000 lb. Determine el tamaño de la cimentación

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Ejemplo 3

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Ejemplo 3

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1.

Calcule los factores de inclinacion usando las ecuaciones dadas abajo: βͦ inclinacion de carga con respecto a la vertical

2.

Use los factores de inclinacion calculados para calcular factores de forma Hansen como

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3.

Estos son usados en las modificaciones siguientes de la ecuacion de capacidad portante Hansen "editada“:

Utilice el valor más pequeño de qult calculado por cualquiera de las ecuaciones. 81

Capacidad Portante de Suelos Multi-estratificados

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En perfiles de suelo en estratificado, el peso unitario del suelo, el ángulo de fricción y la cohesión no son constantes en toda la profundidad. La superficie de falla última puede extenderse a través de dos o más de las capas de suelo.  Considere el caso cuando el sustrato más fuerte está sustentada por un terreno más débil. Si H, el espesor de la capa de suelo debajo de la zapata, es relativamente grande, entonces la superficie de falla será completamente situado en la capa de suelo superior, que es el límite superior para la capacidad de carga última.  Si el espesor H es pequeño comparado con el ancho de la cimentación B, una falla de punzonamiento se producirá en el estrato superior del suelo, seguido de una falla de corte general en la capa inferior del suelo.  Si H es relativamente profundo, entonces la falla de corte se producirá sólo en la capa superior del suelo. 

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

Meyerhof and Hanna (1978) and Meyerhof(1974)

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En esta condición, donde el suelo de superficie más fuerte está sustentado por un estrato más débil, la ecuación general de la capacidad de carga se modifica a

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Para cimentaciones rectangulares, la ecuación anterior se puede extender a la forma.

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Arena Fuerte

Arcilla debil

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Arena Fuerte

Arena debil

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Arcilla Fuerte

Arcilla debil

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Meyerhof

and Hannas punching shear coefficient Ks

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 Variacion

de c’a/c’1 con q2/q1 basada en la teoria de Meyerhof and Hanna (1978)

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Ejemplo 4: Suelos Estratificados Resistencia al Corte No Drenado = 120 kN/m2 Peso Unitario = 16.8 kN/m3

Resistencia al Corte No Drenado = 48 kN/m2 Peso Unitario = 16.2 kN/m3

Una Zapata de 1.5m x 1 m esta ubicada a una profundidad Df de 1 m en una arcilla resistente, Un estrato de arcilla mas suave esta ubicada a un profundidad H de 1m, medido desde el fondo de la Zapata. Para el estrato de arcilla superior: Resistencia al Corte No Drenado = 120 kN/m2 Peso Unitario = 16.8 kN/m3 Para el estrato de arcilla de fondo: Resistencia al Corte No Drenado = 48 kN/m2 Peso Unitario = 16.2 kN/m3 Determine la carga admisible bruta para la Zapata con un FS de 4.

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Capacidad Portante desde Ensayos de Campo

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Meyerhof (1956) propuso una correlacion para la presión portante admisible neta para cimentaciones con la resistencia de penetración estándar, N60. La presión neta ha sido definida como

Según la teoría de Meyerhof, para 25 mm de asentamiento máximo estimado,

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Desde el tiempo en que Meyerhof propuso su correlacion original, investigadores han observado que sus resultados son mas bien conservadores. Despues, Meyerhof (1965) sugirió que la presión portante admisible neta deberá ser incrementada cerca del 50%. Bowles (1977) propuso que la forma modificada de las ecuaciones de presión portante se expresan como

La filosofía básica detrás del desarrollo de estas correlaciones es que, si el asentamiento máximo es no mas de 25 mm para cualquier cimentación, el asentamiento diferencial seria no mas de 19 mm. Estos son probablemente los limites permisibles para la mayoría de diseños de cimentación de edificaciones

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

Para suelos Granulares:

 B foundation  qult  q plate    B plate  



Para Suelos Cohesivos:

qult , foundation  qult ,load test

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

Se ha sugerido que el SPT sea estandarizado en cierta relación de Er energía que debe ser calcula como



Tenga en cuenta que los valores más grandes de Er disminuyen el conteo de golpes N casi linealmente, es decir, da Er45 da N = 20 y Er90 da N = 10;



Ejemplo de N para Er45 = 20 obtenemos para el arbitrariamente elegido Er = 70, (Er70):

N para Er70 = 13

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Una cimentacion de una columna esta siendo construida sobre un deposito de arena, la carga admissible Q estara inclinada a un Angulo de =20° con la vertical. Los números de penetración estándar N60 obtenidos desde el campo son los siguientes:

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