CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Ing. Flavio Ortiz Salas

INTRODUCCIÓN

De acuerdo a la norma peruana E.050

Las cimentaciones superficiales son aquellas en las cuales la relación (Df/B) es menor que 5, Siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho de o diámetros de la misma.

Son cimentaciones superficiales las zapatas aisladas, conectadas y combinadas, las cimentaciones continuas y las plateas de cimentación

CRITERIO DE DISEÑO DE CIMENTACIONES

Para el comportamiento satisfactorio, las cimentaciones superficiales deben tener dos factores fundamentales.

• La cimentación debe ser segura contra falla por corte general del suelo que lo soporta (capacidad de carga).

• La cimentación no debe experimentar asentamiento excesivo (asentamiento permisible).

CAPACIDAD DE CARGACIMENTACIONES SUPERFICIALES

CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA

La carga por área unitaria de la cimentación bajo el cual ocurre la falla por corte en el suelo se denomina capacidad de carga última.

RELACIÓN ENTRE PRESIONES DEL TERRENO Y CAPACIDAD DE CARGA

MECANISMOS DE FALLA

MECANISMOS DE FALLA – FORMAS TÍPICAS DE FALLA (VESIC 1973)

MECANISMOS DE FALLA - ASPECTOS PRÁCTICOS

Para la mayoría de problemas prácticos de diseño, sólo es necesario chequear el caso por corte general y luego realizar los análisis por asentamiento para verificar que la zapata no se asentará excesivamente. Los análisis por asentamiento implícitamente protegen contra las fallas por corte local y por punzonamiento.

ECUACIÓN GENERAL DE LA CAPACIDAD DE CARGA DEL SUELO

Terzaghi 1943

ECUACIONES PARA ESTIMAR LA CAPACIDAD DE CARGA DEL SUELO

TERZAGHI 1943

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA - TERZAGHI

TERZAGHI 1943

Relación entre el ángulo de fricción interna y los factores de carga

MODIFICACION DE CAPACIDAD DE CARGA DEBIDO A NIVEL FRATICO

MODIFICACION DE CAPACIDAD DE CARGA DEBIDO A NIVEL FRATICO

MODIFICACION DE CAPACIDAD DE CARGA DEBIDO A NIVEL FRATICO

ECUACIÓN GENERALIZADA DE CAPACIDAD DE CARGA – MEYERHOF 1963

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA – VESIC 1973

Reissner ,1924

Prandtl, 1921

Caquot y Kerisel, 1953 y Vesic, 1973

Vesic, sugiere que el ángulo a se aproxima más a tan(45°+f/2) que a f. Si se acepta el cambio, los factores de capacidad de carga quedan como sigue:

LB

0.4- 1 F

tan 1F

NcNq

1F

γs

qs

cs

LB

LB

FACTORES DE FORMA – PROFUNDIDAD - INCLINACIÓN

1F

tan1tan21F

BDf

0.4tan1F

1BDf SI

1F

1tan21F

BDf

0.41F

1BDf SI

γd

12qd

1-cd

γd

2qd

cd

BDf

sen

BDf

sen

FACTORES DE PROFUNDIDAD

2

2

2

φβ

1iF

90β

1Fqi

90β

1Fci

FACTORES DE INCLINACIÓN

FACTORES DE FORMA – PROFUNDIDAD - INCLINACIÓN

Bowles, 2006

Existen diferentes relaciones empíricas para tomar en cuenta los efectos de forma, profundidad e inclinación.

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

Ecuación general de capacidad de carga

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

CIMENTACIONES CON EXCENTRICIDAD EN DOS DIRECCIONES

CIMENTACIONES CON EXCENTRICIDAD EN DOS DIRECCIONES

EJEMPLOS DE APLICACION

• TENDRIA EL CASO CIMENTACION CON UNA EXCENTRICIDAD

• ESTAMOS EN EL CASO II

10/07/11 examen

FACTORES DE FORMA – VESIC 1973

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE

x

y

B

L´

B´

Ley

ex

L´ = L - 2ey

B´ = B - 2ex

Area efectiva

Meyerhof (1953): Considera la excentricidad de la carga reduciendo el ancho B. El ancho efectivo es B´= B -2.e, donde e es la excentricidad. Si existe excentricidad en ambos sentidos, en zapatas rectangulares, se disminuyen los dos lados según la excentricidad correspondiente (área efectiva).

eM

P P

e = PM

eM

P P

e = PMM

PP P

e = PM

e = PM

Be

Qe = QMe = Me = Me = M

B´= B-2.eAncho efectivo

Zapata continua Zapata rectangular

Q

CAPACIDAD DE CARGA – BRINCH HANSEN 1970 -

Brinch Hansen (1970): Considera la formulación general de Terzaghi y los factores de capacidad de Prandtl y Reissner

Nc = ctg f . (Nq - 1)

Nq = tan2 (45°+ /2)f . e p.tgf

con: Ng = 1,5. (Nq - 1). tg f

Plantea o asume otros factores de corrección para: forma, profundidad, inclinación de cargas o terreno, etc. Considera el concepto de área efectiva por excentricidad de carga (Meyerhof).

Los factores correctivos son: c - forma (Vesic); d - profundidad; e i - inclinación. Presentados en “Tablas y Ábacos”.

ECUACIÓN GENERALIZADA

CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS ESTRATIFICADOS

SUELO MAS FUERTE SOBRE SUELO MÁS DÉBIL

Meyerhof y Hanna 1978 y Meyerhof 1974

CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES SOBRE UN TALUD

FACTOR DE CAPACIDAD DE CARGA PARA CIMENTACIONES SOBRE UN TALUD

SUELOS GRANULARES – FACTOR Ngd

FACTOR DE CAPACIDAD DE CARGA PARA CIMENTACIONES SOBRE UN TALUD

SUELOS PURAMENTE COHESIVOS - FACTOR Nc

ASENTAMIENTOS

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES

(a) Asentamiento uniforme (b) Asentamiento por volteo (c ) Asentamiento no uniforme

TIPOS DE ASENTAMIENTOS

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES - SEGÚN LA NORMA E.050

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES – SEGÚN DIFERENTES AUTORES

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES – SEGÚN DIFERENTES AUTORES

ASENTAMIENTOS EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Al aplicar una carga (Q) sobre una fundación se produce un determinado

asentamiento de la misma (ST).

ST = Si + St donde St = Scp + Scs

Siendo:

Si Asentamiento instantáneo (causa principal en suelos

granulares y, para arcillas, por distorsión a volumen constante - condición no-drenada)

St = Scp + Scs Asentamiento diferido en el tiempo (reducción

de volumen con el tiempo - importante en arcillas):

Scp - por consolidación primaria - expulsión de agua de los poros

causada por un exceso de presión neutra.

Scs - por consolidación secundaria - deformación a tensión efectiva

constante (creep y/o fluencia).

MÉTODOS DE CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS

Asentamiento total ST = Si + Scp +Scs

Si = Asentamiento inmediatoScp = Asentamiento por consolidación primariaScs = Asentamiento por consolidación secundaria

En arenas gravas y arcillas duras y suelos no saturados en general ST = SiEn arcillas saturadas: ST = ScpEn suelos de gran deformabilidad como turbas y otros: ST = Scp + Scs

ASENTAMIENTOS ELÁSTICOS INMEDIATOS

Donde:

Si = Asentamiento inmediato probable (cm)u = Relación de PoissonEs = Módulo de elasticidad (Ton/m2)If = Factor de forma (cm/m)q = Carga de trabajo(Tn/m2)B = Ancho de la cimentación (m)

ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN – Índice de compresibilidad CC

Donde:

Cc = Índice de compresibilidade1,e2 = Índices de vacíos final para los esfuerzos p1 y p2 respectivamente

Cálculo del índice de compresibilidad

ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN – OTRAS APROXIMACIONES DE Cc

Terzaghi 1967, sugirió la relación: Cc = 0.009*(LL-10) , donde LL=Límite líquido

Además de la curva e – log s´v. Existen otros autores que sugieren aproximar el índice de compresibilidad de acuerdo al siguiente cuadro:

CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN

CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN

Para arcillas normalmente consolidadas

Para arcillas preconsolidadas

Si: p0 + Dp < pc

Si: p0 < pc < p0 + Dp

CIMENTACIONES SOBRE SUELOS DIFÍCILES

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

SUELOS COLAPSABLES

Son suelos no saturados que sufren un gran cambio de volumen al saturarse. Este cambio puede o no ser el resultado de la aplicación de carga adicional.

El potencial de colapso se determina a partir del ensayo de consolidación sobre un espécimen con su contenido de humedad natural.

Variación de la relación de vacíos con la presión para un suelo colapsable

La mayoría de los suelos colapsables que se presentan en estado natural son: depósitos eólicos, depósitos de polvo volcánico (altas relaciones de vacíos), loess (con tamaños de limos), suelos con presencia de precipitados químicos lixiviados por el agua.

SUELOS COLAPSABLES – DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE COLAPSO

Son suelos no saturados que sufren un gran cambio de volumen al saturarse. Este cambio puede o no ser el resultado de la aplicación de carga adicional.

El potencial de colapso se determina a partir del ensayo de consolidación sobre un espécimen con su contenido de humedad natural.

Relación del potencial de colapso a la severidad de los problemas de cimentación

SUELOS COLAPSABLES – DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE COLAPSO

CRITERIOS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE SUELOS COLAPSABLES

Criterios reportados para la identificación de suelos colapsables.

Tomado de Bowles 2006

SUELOS EXPANSIBLES

Muchas arcillas se expanden considerablemente cuando se agrega agua y luego se contraen con la pérdida de ésta. Las cimentaciones construidas sobre estas están sometidas a grandes fuerzas de levantamiento causadas por la expansión. Esta fuerzas ocasionan levantamiento, agrietamiento y ruptura de la cimentación.

La profundidad en un suelo a la que ocurren cambios periódicos de humedad se llama zona activa (ver figura). La profundidad de esta zona varia dependiendo del lugar. La misma que se determina fácilmente graficando el índice de liquidez (IL) versus la profundidad del perfil del suelo a lo largo de varias estaciones .

SUELOS EXPANSIBLES – MEDICIÓN EN LABORATORIO

PRUEBA DE EXPANSION NO RESTRINGIDA

Carta de correlación de la expansión libre, límite líquido y contenido de agua natural (Según Vijyvegiya y Ghazzaly, 1973

O’Neill y Poormoayed, 1980 desarrollaron la siguiente relación para calcular la expansión libre.

SUELOS EXPANSIBLES – MEDICIÓN EN LABORATORIO

PRUEBA DE LA PRESIÓN DE EXPANSIÓN

SUELOS EXPANSIBLES – MEDICIÓN EN LABORATORIO

PRUEBA DE INDICE MODIFICADO DE EXPANSIÓN LIBRE

Ejemplo: Suelo homogéneo limo arenoso poco a medianamente compacto

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL

Evaluación del riesgo de agresividad del terreno

Evaluación del riesgo de agresividad del terreno

EJEMPLO: ALGUNOS SUELOS LIMOSOS SALINOS – YESÍFEROS COMPACTOS Y CEMENTADOS Y CENIZAS VOLCÁNICAS COMPACTAS DE ILO - MOQUEGUA

Riesgos potenciales: Riesgo elevado de ataque al concreto y corrosión en el acero y pérdida de resistencia por lixiviación en caso de saturación.

EJERCICIOS

Cimentación superficial

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Ing. Flavio Ortiz Salas