Capacidad de Carga Clases

7/17/2019 Capacidad de Carga Clases

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Diseño Geotécnico de

Cimentaciones

Superficiales y Profundas.

. Jorge Ordóñez Ruiz

Director General de

Geortec

, S.A. de C.V.

DISEÑO DE CIMENTACIONES

1.- TIPOS DE CIMENTACIONES•Superficiales•Profundas2.- ELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL.•Cimentaciones aisladas.•Cimentaciones corridas.•Losa de cimentación.3. ELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACIÓN PROFUNDA.•Pilotes•Pilas.•Cajones de cimentación.•Cilíndros.3.- CONSIDERACIONE GEOTÉCNICAS•Estado Límite de Falla (Capacidad de carga)•Estado Límite de Servicio (Asentamientos)4.- HÍPOTESIS SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL5.- EJEMPLOS.

El tipo de cimentación seleccionada dependeránecesariamente de las cargas que actúan directamentesobre ella y de las características y condiciones del sueloen donde se va a desplantar la superestructura.

1) Zapata aislada

2) Con nervaduras y placa de cimentación.

3) Placa de cimentación con escarpes.

1) Losa de cimentación rectangular.

Zapatas continuas o corridas.

2) Zapata corrida trapezoidal

3) Cimentación superficial combinada

*TERRENO (FIRME NO EXPANSIVO) Qadm > 15T/M2*TIPO DE ESTRUCTURA*ESTRUCTURACIÓN (CARGAS PUNTUALES)*ZONA SÍSMICA

ZAPATAS AISLADAS

*TERRENO (TRANSICIÓN) Qadm > 10t/m2*TIPO DE ESTRUCTURA*ESTRUCTURACIÓN (CARGAS LINEALES YPUNTUALES)*ZONA SÍSMICA

ZAPATA CORRIDA

*TERRENO (BLANDO) Qadm > 4 t/m2*TIPO DE ESTRUCTURA*ESTRUCTURACIÓN (CARGAS LINEALES YPUNTUALES)*ZONA SÍSMICA

LOSA DECIMENTACIÓN

ELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL

CIMENTACIONES PROFUNDAS

Clasificación de pilas y pilotes según la formacomo transmiten las cargas al subsuelo.

1.- Carga vertical : Punta

Fricción

Anclaje por fricción.

Pilote de punta Pilas de punta

Pilote de fricciónEmpotramiento de pilas ypilotes.

Pila o pilote con cargahorizontal

Pilote de anclaje

CIMENTACIONES PROFUNDAS

2.- Material de fabricación:

1. Concreto Prefabricado .

Colado en el lugar.

2. Acero .

3. Concreto y acero (mixto).

4. Maderas

1) Si el área de cimentación es menor al

30% de la superficie del área a cimentar,entonces diseñar zapatas aisladas.

2) Si el área de cimentación es mayor al

30% y menor al 50% del área a cimentar emplear zapatas corridas.

3) Si el área de la cimentación es mayor al

50% del área a cimentar, emplear losa decimentación.

Tipo comportamiento

y estudio de los

suelos.

ESQUEMAS DE LOS SUELOS

SÓLIDOS

AIREAGUA

Esquema de una sección de suelo no saturado

SÓLIDOS

Esquema de una sección de suelo saturado

Cimentaciones superficiales

Estados límites deservicio

Tema: Análisis de deformaciones

1. Asentamientos1.1. Consolidación Primaria.

1.2. Consolidación Secundaria.1.3. Asentamientos elásticos e inmediatos.

2. Expansiones y contracciones.

3. Fenómenos de densificación y licuación dearenas.

Placa de cimentación

Bulbos depresión

Campanas de esfuerzos

Distribución de esfuerzo bajo un área cargada

Cálculo de asentamientos causados por la cimentación

ΔH=Mv Δσ H

Mv=módulo de deformación volumétrica del suelo (m²/ton).Δσ= esfuerzo al interior del suelo por la cimentación (ton/m²).

H=espesor comprensible del estrato comprensible. (m)

Determinación del Mv

•Extraer muestras inalteradas del terreno de cimentación ala profundidad indicada y realizar la prueba deconsolidación, para determinar:

•Mv,Cv,K,e,etc.

Asentamientos elásticos

inmediatos.

De donde:ΔHe=asentamiento en la esquina o centro de la cimentación.

q=carga uniformemente repartida en ton/m²B=ancho del cimiento en m.

D=espesor del estrato en m.Es=módulo de elasticidad del estrato del suelo en ton/m².ν= relación de Poisson del estrato de suelo.

F1 y F2 = factores de influencia en función de (D, L Y B) las dimensiones delcimiento y el espesor del estrato.

TEORIA: ASENTAMIENTOS

Estado inicial de esfuerzos de l suelo

ua-uW)()(

U UaUa

(kg/cm )2

pH Mr H

(kg/cm )2

Gráfica esfuerzo - deformación

Edz H Lc

. EL H

ESTRATO PERMIABLE

ESTRATO COMPRESIBLE

ESTRATO PERMIABLENAF

Figura 10.- DISTRIBUCION DE PRESIONES EN EL SUELO ANTES DE APLICAR LA SOBRECARGA DE LA CIMENTACIÓN

sotZ z wHi

Estado de

Esfuerzos

Deformaciones

•Estados límites de falla

Análisis de capacidad de carga:

Cimentaciones superficiales.

•Cimentaciones superficiales

Suelos Cohesivos

S Q Fc / A < Cu Nc Fr + Pv

•Suelos friccionantes

S Q Fc / A < [P’v (Nq – 1) + B N/2] + Fr+ Pv.

Donde:

S Q Fc: Suma de acciones verticales a tomar en consideración en la

combinación de cargas consideradas a nivel de desplante con su respectivo factorde carga.

A : área del cimiento.

P’v : Presión vertical efectiva a la profundidad de desplante (ton/m2).

Cimentaciones superficiales.

: Peso volumétrico del suelo (ton/m3).

Cu: Cohesión del suelo (ton/m2).

B: Ancho del cimiento (m).

Nc , Nq y N: Factores de capacidad de carga.

De donde:

Nc= 5.14 (1+0.25 Df/B + 0.25 B/L) Df/B <2 y B/L<1

Nq= exp (p tan ) tan ( 45 /2 )

N 2 (Nq + 1 ) tan ).

Fr = Factor de resistencia

Tema: Cimentaciones.

Consideraciones para el diseño geotécnico.

a) Selección de los parámetros Cu y u.

b) Para falla de tipo general:

Suelos cohesivos: de consistencia media a firme, los valoresde diseño será los obtenidos en el ensayo. En suelos friccionantes la compacidad relativa será mayor al

c) Falla de tipo local: En suelos cohesivos de consistencia media a blanda En suelos friccionantes con compacidad relativa menor al 60%

ó 70%.

En ambos casos los parámetros Cu y u, deberán afectarse por

un factor de reducción Fr= 0.67.

Figura 1.1 Modelo de Khristianovich.

Figura 1.2 Correspondencia de un cimiento con la

balanza de Khristianovich.

a) Elasto-plástico perfecto.b) Elasto- plástico, con endurecimiento por deformación.c) Rígido- plástico perfecto.d) Rígido- plástico, con endurecimiento por deformación.

Figura 1.3 Comportamientos plásticos.

Figura 1.4 Esfuerzos cortantes máximos bajo una banda delongitud finita, según la teoría de la Elasticidad

Figura 1.4 Análisis de capacidad de carga considerandouna superficie de falla circular.

Figura 1.5 Solución de Prandtl.

Figura 1.6 Equivalencia del suelo sobre el nivel de un cimiento conuna sobre carga debida a su peso.

Figura 1.7 Factores de capacidad de carga para aplicaciónde la teoría de Terzaghi.

BN qN cN q qC U 2

Para cimentaciones corridas

Donde:

)(enestanycargadecapacidaddefactores,,

f N N N

suelodel especifico pesocohesiónc

Figura 1.8 Mecanismo de falla de un Cimiento Continuo pocoProfundo según Terzaghi.

Ecuaciones para determinar los

)1(cot1

24cos2

tan)2/4/3(2

qc N e

45cos2

tan)2/4/3(2

tan1cos2

Ecuaciones para determinar losfactores de capacidad de carga.

BN qN cN q qcu 4.03.1

Cimentación cuadrada:

BN qN cN q qcu 3.03.1

Cimentación circular:

2 BN qN cN q qcu

´4.0´´867.0 BN qN cN q qcu

´3.0´´867.0 BN qN cN q qcu

(cimentación corrida)

(cimentación cuadrada)

(cimentación circular)

Si el nivel freático se localiza de manera que 0<d1<df , el factor q en las

ecuaciones de la capacidad de carga toma la forma

aguadelespecífico pesoγ

suelodelsaturadoespecífico peso

)(efectivasobrecarga

Además, el valor de en el último término de la ecuación

tiene que ser reemplazado por ’= sat- w

´)(´

Para un nivel freático localizado de manera que 0<d<B

El factor en el ultimo termino de las ecuaciones de laCapacidad de apoyo debe reemplazarse por el factor

MODIFICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE CAPACIDADDE CARGA POR NIVEL DE AGUAS FREÁTICAS

SATURADO

ESPECIFÍCOPESO sat

Tema: Cimentaciones

Fenómeno de densificación y licuación de arenas.

Características geotécnicas del estrato de suelo.

En suelos finos: baja consistencia relativa (Cr). En suelos gruesos: baja compacidad relativa (Dr). Pruebas de campo: SPT, en suelos finos o arenas, el número de

golpes N<15 golpes, cuando N< 5 golpes, el problema dedensificación o licuación es casi seguro.

Para densificación, se requiere que el predio o la construcción este

en una zona sísmica. Para que se presente el fenómeno de licuación, se requiere de la

presencia del N.A.F. , además de estar en zona sísmica.

1) El conocimiento de las característicasdel terreno de cimentación.(experiencialocal)

2) Definición de las condiciones de cargade la estructura.

3) Uso y destino de la estructura.( tipo Bo tipo A)

4) Capacidad técnica del ingenierogeotécnico.

id sqiqd qsqcicd cscu F F F BN F F F qN F F F cN q

SUELODELESPECÍFICOPESO NCIMENTACIÓLADEFONDODEL NIVELALEFECTIVOESFUERZOq

COHESIÓNc

B= ANCHO O DIAMETRO DE LA CIMENTACIÒN.

cd sqcqd qsqcccd cscu F F F BN F F F qN F F F cN q 2

SUELODELLIDADCOMPRESIBIDEFACTORES,DONDE cqccc F y F F

´tanqc

DPROFUNDIDAA UNASOBRECARGADEEFECTIVAPRESIÓN´

SUELODELCORTANTEMÓDULOG

1.- CALCULE EL ÌNDICE DE RIGIDEZ, Ir, DEL SUELO A UNA PROFUNIDADAPROXIMADA B/2 POR DEBAJO DEL FONDO DE LA CIMENTACIÒN:

245cot45.030.3exp2

COMOEXPRESASE,CRÍTICO,RIGIDEZDEÍNDICEEL2. )(cr r I

1B/LY0B/LPARADESVARIACIONELAS )( cr r

ENTONCES,SI 3. )(cr r r I I

1 cqccc F F F

)(SI,EMBARGO,SINcr r r

B F F r

)2)(log07.3(tan6.04.4exp

Teoría de Skempton

qu=CNc + Df

El valor de Nc esta en función delespesor de estrato firme y el ancho delcimiento, como se observa en la figuraNo. 1.11

Figura 1.10 Influencia de la profundidad de desplante en el valor de Nc,en suelos puramente cohesivos

Figura 1.11 Valores de Nc según Skempton, para suelos puramente cohesivos.

Tipos de falla por

capacidad de carga.

Figura 1.12 Formas de falla por capacidad de carga.

FIG. 1.13 Formas típicas de falla en arena.

Figura. 1.14 Mecanismos de falla propuestos por Meyerhof.a) A poca profundidad.b) A gran profundidad.

Ejemplos prácticos

Ejercicio de asentamientos aplicando

la teoría de elasticidad.

Ejemplo : calcular el asentamiento de una

placa de cimentación circular de 20 m dediámetro con una carga P= 15 ton.Debajo de la placa se localiza un túnelque se desea conocer los asentamientosen condiciones drenadas ( dd)y nodrenadas(du)

EJERCICIO

aE U P So

22 /286/28570035.015.02

)5.01(4cmkg mt x x Ed

/248/24750049.015.02

)3.01(4cmkg mt

•Placa circular regida en el espacio de Boussinesq, cálculo de asentamientos

1.1.Ensayo sin drenaje: En =?

1.2.Ensayo con drenaje: Ed=?

Dcim=20m.r=10m

Diametro

)(sin5.0

condrenajeUu

drenajeUu

Diámetro de la placa 30cm

Se cumple la relación:

2/286248

1cmkg Ed

2/6.2213,120 mt x z

)cos(cos)cos1()cos1(

/26,2%10

z sat z z z qw

13.2151515

,5.2, m z Si

/13.21

e s sot

22 /26,2,/67.9 mt vmt qneta

Asentamiento en la base de la cimentación a 2,5m

)5.01(67.9)510(2)1()(2 22

UuqnetaaaSo

cmSo 5,2

cmSo 6,32426

)3.01(967)510(2 2

cmSo 6,3

1)1(21()1(

1)1(21)(1(

75,110

2/2857

CORTO PLAZO

Asentamiento al nivel de la parte superior del túnel (a 17.50m

Datos:

Corto plazo So=1.8cmLargo plazo So=2,2cm

LARGO PLAZO

ua-uWH

ESTRATO PERMEABLE

ESTRATO COMPRESIBLE

Figura 10.- DISTRIBUCION DE PRESIONES EN EL SUELO ANTES DE APLICAR LA SOBRECARGA DE LA CIMENTACIÓN

ESTRATO PERMEABLE

3.0 Análisis de capacidad de carga.

Se aplicará la teoría de Terzaghi para suelos fricciónantes(arenas) y se revisará por el método propuesto por Zeevaert.

Para el análisis de capacidad de carga aplicando Terzaghi, seconsidera la propuesta de falla de tipo local y por lo tanto’= 2/3 y para el método de Zeevaert, se considera ladensidad relativa de la arena .

Posible falla por licuación de arenas

qc= DfNq+1/2 BN (Terzaghi)

qd= qc(Dr+0.1) (Zeevaert)

Terzaghi

Parámetros geotécnicos seleccionados. Ñ=10 =1.7 t/m3

=28° ´= 2/3 (28°) = 18.7 Nq= 5.00 N=4.00

Df = 2.00 m F.S.=3

qc= 22.15 t/m2

Qadm. = 7.00 t/m2

Cálculo de la capacidad

aplicando Zeevaert.

qc= DfNq+1/2 BN (Terzaghi)

qd= qc(Dr+0.1) (Zeevaert)

Parámetros geotécnicos

Dr= 40% Nq=15

F.S.=3

= 1.7 t/m3

Df= 2.00 m

qc= 64 t/m2

qd= 32 t/m2

Qadm. = 10 t/m2

Resultados

UNEME SURID San Cristóbal de las casas

Propuesta de cimentación: Zapata corrida

y losa de cimentación.

Se aplicará para el análisis de capacidadde carga, la teoría de Terzaghi parasuelos cohesivos y revisados por elmétodo del Dr. Leonardo Zeevaert (ref.4 y 9).

Se analiza para falla local

qc = CNc+ Df

qd = qc(Cr+0 1)

Datos:

Cu= 0.5 kg/cm2 = 5t/m2

Cu’= 2/3 Cu= 3.35 t/m2

= 1.8 t/m3

Df = 0.6 a 1.00 de profundidad

F.S= 2.0 Nc= 5.7

Cr= 0 4

qc= 21 t/m2

Qadm. = qc /F.S.Qadm. = 10 t/m2

Aplicando Terzaghi

A li d Z t

Aplicando Zeevaert

qc= (5.7 x 5) + (1.8x1)= 30 t/m2

qd= qc(Cr+0.1) = 15.15 t/m2

Si F.S. = 2.0

Qadm.= qd/F.S.= 7.5 ton/m2

Qadm. = 7 t/m2

Ciudad rural sustentable “ uevo Juan del

rijalva”

Propuesta de cimentación: Losa de Cimentación

Análisis de la capacidad de carga

Se realizaron 10 sondeos tipo pozo a cieloabierto (PCA), ubicados de acuerdo a lapropuesta de sembrado de viviendas,se

presenta el concentrado de las propiedades,índice, de resistencia y deformación del sueloexplorado.

Por las características estructurales de lasviviendas, la selección de los parámetros dediseño, para el análisis de capacidad de carga,son los siguientes:

Los parámetros de diseño geotécnico

p gson:

Pozo a cielo abierto No. 2 (PCA-2) = 10° Cu=0.4 kg/cm2= 4 ton/m2

w= 30% m= 1.7 gr/cm3 Para el análisis de capacidad de carga

se aplicará la expresión de Terzaghi,para el caso de cimentaciónessuperficiales:

qc = CNc+DfNq

Qadm = qc/F S

Datos:

Cu=0.4 kg/cm2= 4 ton/m2

m= 1.7 gr/cm3

Nc= 5.7 Nq= 1.0

Df= 0.5-1.0 m.

qc = 27.35 ton/m2

Qadm.= 9 ton/m2

Tabla de correlación número de golpes contra consistencia relativa. (Arcillas) (Terzaghi and Peck)

Número de golpes (N) Consistencia Relativa (Cr)

Muy blanda

Blanda

Muy Firme

Numero de golpes (N) Compacidad Relativa (Cr)

Muy suelta

Suelta

Compacta

Muy compacta

Tabla de correlación número de golpes contra Compacidad relativa en arenas (Terzaghi and Peck)

Consistencia relativa

Ipw LLCr

minmax

eeCr nat máx

Compacidad relativa

minmax

dnat d Dr

Densidad relativa

4.2 Arcillas

expansivas

La presencia de arcillasexpansivas en el valle de TuxtlaGutiérrez

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Limite liquido, en %

Indiceplastico,en%

Tijuana

Mexicali

Hermosillo

Cd. Obregón

Navojoa

Los Mochis

Culiacán

Cd. Juárez

Durango

Irapuato

LeónMatamoros

Nvo. Laredo

Querétaro

Reynosa

Salamanca

Celaya

Cuernavaca

CL-MLMLOL

L í n e a

Simbología

Tuxtla Gutiérrez,Chiapas.

ig. 4.7.- Ciudades de la República Mexicana con presencia de suelos expansivo

Fig. 4.14 Clasificación del potencial de expansión en función dew0,wL.

(Ordónez R. J.,1990-2006)

20 40 60 80 100

LIMITE LIQUIDO (%)

UMETRICO

(ton/m)

Línea A

Suelos Colapsables

Suelos Estables

Línea B

Suelos

Expansivos

404811

1589 1034

Fig. 4.15 Gráfica que clasifica el comportamiento del suelo en función del PVSy el límite líquido. (Ordónez R. J.,1996-2006)

Determinación de la zona

activa en los estratos de

arcilla.

Determinación de zona activa (w/Ip)Perfiles de contenido de agua (w %)

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

fundidad,

1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 32 3 4

Profundidad

Fig. 4. 17.- Determinación del contenido de humedad y zona activa delas arcillas expansivas de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas.

Tabla 4 7 Datos de referencia de los perfiles

Tabla 4.7 Datos de referencia de los perfilesde humedad.

Determinación de la

presión de

expansión del suelo

Figura 4.18 b parámetros índice y de deformación de las curvas de compresibilidad de lafigura 4.18 a

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