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UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALESDISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES

CAPACIDAD PORTANTE DE FUNDACIONESCAPACIDAD PORTANTE DE FUNDACIONES

Ing. Ing. Angel Angel R. R. HuancaHuanca BordaBorda

Propósito de un Trabajo de Exploración

El propósito de un programa de exploración del subsuelo, es obtener información que pueda ayudar al ingeniero en lo siguiente:

1) Seleccionar el tipo y profundidad de la cimentación.

2) Evaluar la capacidad de carga de la cimentación.

3) Estimación de posibles asentamientos en las estructuras.

UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005

4) Determinación de problemas potenciales en la cimentación (suelos expansivos, suelos colapsables, rellenos sanitarios)

5) Establecimiento del nivel freático.

6) Establecimiento de métodos de construcción debido a cambios en las condiciones del subsuelo.

7) Cuando se requiera calzar un edificio.

Programa para la Exploración Superficial

Pasos para la exploración superficial:

1) Recolección de información preliminar

2) Reconocimiento del lugar

3) Investigación del lugar


1. Recolección de Información

- Tipo de estructura a construir y su uso general

- Cargas aproximadas que el suelo recibirá a través de las

zapatas

- Espaciamiento de las columnas

- Código de construcción del país o zona

- Estudios previos

2. Reconocimiento del Lugar

La inspección es siempre muy necesaria realizarla, con el

objeto de obtener la siguiente información:

1) Topografía general del sitio (evidencias de creep, huaycos, depósitos de escombros)

2) Estratificación del suelo, observada en los cortes profundos: carreteras, vías férreas, etc.

3) Tipo de vegetación del sitio, indica la naturaleza del suelo


4) Altura de las aguas máximas, especialmente en el caso de puentes y pontones

5) Nivel de agua subterránea (pozos próximos al lugar)

6) Tipo de construcción en la vecindad (agrietamientos en paredes, tipo de cimentación, etc.)

3. Exploración del Sitio

La fase del programa de exploración consiste en planear,ejecutar y coleccionar muestras para su subsecuente observación y análisis de laboratorio, pudiéndose realizar a través de:

1) Pozos a cielo abierto (calicatas)

2) Exploración con barra posteadora

3) Ensayo de penetración estándar

4) Penetrómetro Ligero

5) Exploración en roca (métodos rotativos)

6) Exploración geofísica

METODOS DE EXPLORACION

1) Ensayo de Penetración Estándar1) Ensayo de Penetración EstándarEs el método de exploración y muestreo usado comúnmente enel Perú y la mayoría de países de América, por lo que se hace necesario dar a conocer algunos aspectos de importancia en lo relativo a este método.

* Peso del martillo: 140 lbs.

* Altura de caída: 30 plgs.

* Herramienta de avance: cuchara partida.

* Motor de 5 a 5.5 HP.


Comentarios sobre el SPT* Recuperación: % del material recogido por la cuchara partida, si recupera poco a poco, se sospecha que el suelo sea granular.

* Valor de “N”: resistencia que opone el subsuelo a ser penetrado un pie (30cms) usando el equipo de Penetración Estándar.

* Rechazo: según criterio del ingeniero geotécnico, normalmente se define cuando un suelo posee valores de N>50 golpes/pie.

Profundidad de los Sondeos

El número, profundidad y espaciamiento de los sondeos serán determinados por el ingeniero geotecnista y el diseñador estructural, conforme a las características propias del proyecto. Sin embargo, se presenta a continuación la profundidad mínima de los sondeos basados en experiencias de Sowers y Sowers.


TABLA 3. PROFUNDIDAD DE LOS SONDEOS EN FUNCION DEL ANCHO DEL EDIFICIO Y EL NUMERO DE PISOS. TOMADO DE BRAJA DAS, 1990.

Para hospitales y edificios de oficina, Sowers y Sowers(1970), también usan la siguiente regla para determinar la profundidad de los sondeos.

Db = 3S0.7, para construcciones angostas o de acero o

concreto.

Db = 6S 0.7, para construcciones pesadas o edificios anchos

de concreto.

Db: profundidad de los sondeos en metros

S: número de pisos

Espaciamiento Sugerido entre Perforaciones

* Para carreteras, de 300 a 500 m.

* En obras de paso como puentes, a criterio del ing. Estructural y geotécnico.

* Dependiendo de la importancia de la estructura.

* En función del número de niveles, la existencia de sótano.

* Depende del área de la zona objeto de estudio.


TABLA 4. ESPACIAMIENTO APROXIMADO DE LOS SONDEOS (SOWERS Y SOWERS, 1970)

Preparación de los RegistrosLos resultados de cada sondeo son presentados en hojas de registros, y presentan la mayoría de veces la siguiente información:

1) Nombre y dirección de la empresa responsable

2) Nombre del equipo de perforación

3) Número y tipo de sondeo

4) Fecha de realización del sondeo

5) Elevación del nivel freático

6) Valor de N

7) Número, tipo y profundidad de las muestras

8) Perforación en roca:Tipo de muestreador y RQD

2) Pozos a Cielo Abierto (Calicatas)

Alternativamente al ensayo de penetración estándar,

para la obtención de muestras alteradas o inalteradas,

se podrá emplear la excavación de pozos a cielo abierto


3) Perforación Rotativa

Cuando se requiera que las cargas generadas por las

edificaciones proyectadas se transmitan directamente en

la roca, la mínima profundidad del sondeo dentro de la

roca intacta deberá ser de 3.00 m. Si la roca existente

está fracturada y/o intemperizada, la profundidad del

sondeo deberá incrementarse a criterio del ingeniero

geotécnico.

Reporte de la Exploración del SueloUn reporte de suelos deberá incluir las siguiente información:

1) Alcance de la investigación

2) Breve descripción del tipo de estructura propuesta, y por la cual se realizó el trabajo

3) Descripción del sitio, esta deberá contener estructuras

próximas, condiciones de drenaje del sitio, naturaleza de la

vegetación y condiciones especiales del sitio.

4) Condiciones geológicas.

5) Detalles de la exploración de campo, número de sondeos,

profundidad de éstos, tipo de sondeo.

6) Descripción de las condiciones del subsuelo, las cuales son determinadas de los especimenes de suelo, valor de “N”, etc.

7) Nivel freático

8) Recomendaciones en lo relativo a la fundación, ésta deberá incluir el tipo de fundación recomendada, capacidad de carga admisible y algún método de construcción que sea necesario

9) Conclusiones y limitaciones de la investigación

Información AdicionalAdicionalmente es necesario presentar la siguiente información:

1) Plano de localización del sitio

2) Plano general del sitio presentando la ubicación de los

sondeos

3) Hojas de registros

4) Resultados de los ensayos de laboratorio

5) Otras presentaciones gráficas especiales


NORMA TECNICA E.050

SUELOS Y CIMENTACIONES

CAPITULO 3

Análisis de las Condiciones de Cimentación

3.2 Asentamiento TolerableEn todo Estudio de Mecánica de Suelos se deberá indicar el asentamiento tolerable que se ha considerado para la edificación o estructura motivo del estudio. El Asentamiento Diferencial (Figura Nº 3) no debe ocasionar una distorsión angular mayor que la indicada en la Tabla Nº 3.2.0.

En caso de suelos granulares el asentamiento diferencial, se puede estimar como el 75% del asentamiento total.

En caso de tanques elevados y similares y/o estructuras especiales el asentamiento tolerable no deberá superar el requerido para la correcta operación de la estructura.

FIGURA 3. Asentamiento Diferencial

DISTORSION ANGULAR

ASENTAMIENTO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES

ll

δρ=

∆=angularDistorsión

ρρ m

ín

l

ρ màx

l

δ

mínmáx ρρρ −=∆

ρ màx ρ m

ín

mínmáx ρρρ −=∆

TIPOS DE ASENTAMIENTO: a) ASENTAMIENTO UNIFORME b) VOLTEO c) ASENTAMIENTO NO UNIFORME

(a) (b) (c)ll

δρ =∆=angularDistorsión

ASENTAMIENTO ADMISIBLE

Ref. (Sowers, 1962)

0.0005-0.001 l

0.001-0.002 l0.001 l

0.0025-0.004 l0.003 l0.002 l0.005 l

Muros de ladrillo continuos y elevadosFactoría de una planta, fisuración de muros de ladrilloFisuración de revocos (yeso)Pórticos de concreto armadoPantallas de concreto armadoPórticos metálicos continuosPórticos metálicos sencillos

Asentamiento diferencial

0.004 l0.01 l0.01 l

0.003 l0.0002 l0.003 l

0.01-0.02 l

Inclinación de chimeneas, torresRodadura de camiones, etc.Almacenamiento de mercancíasFuncionamiento de máquinas-telares dealgodónFuncionamiento de máquinas-turbogeneradoresCarriles de grúasDrenaje de soleras

Depende de la altura y el anchoEstabilidad frente al vuelcoInclinación o giro

DrenajeAccesoProbabilidad de asentamiento no uniforme

Estructuras con muros de mamposteríaEstructuras reticularesChimeneas, silos, placas

Factor limitativo

6-12 plg.12-24 plg.

1-2 plg.2-4 plg.3-12plg.

Asentamiento total

Asentamiento máximoTipo de movimiento

CRITERIO DE DAÑOS EN ESTRUCTURAS

Distorsión angular δ/ L

Límite correspondiente a daños estructurales en edificiosDistorsión severa del pórtico

Límite de seguridad para muros de ladrillo flexibles h / l < 1/4

Agrietamiento considerable de tabiques y muros de ladrillo

Límite para el que se hace visible la inclinación de edificios altos y rígidos

Límite para el que son de esperar dificultades en grúas-puente.

Límite para el que comienza el agrietamiento de paneles de tabique.

Límite de seguridad para edificios en los que no son admisibles grietas.

Límite de peligrosidad para pórticos arriostrados.

Límite para el que son de temer dificultadesen maquinaria sensible a los asentamientos.

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

11000

Ref. (Bjerrum, 1963)

ASENTAMIENTO DE ESTRUCTURAS CIMENTADAS SOBRE ARENA

Asentamiento diferencial máximo, (cm)(a)

0 2 4 6 8 10

Dis

tors

ión

máx

ima,

(δ/ l

)

110,000

15,000

13,000

11,000

1500

1300

Asentamiento máximo, (cm)(b)

0

2

4

5

6

8

10

0 2 4 5 6 8 10 12As

enta

mie

nto

dife

renc

ial m

áxim

o, (c

m)

(Bjerrum, 1963)

3.3 Factor de Seguridad Frente a una Falla por Corte

Los factores de seguridad mínimos que deberán tener las cimentaciones son los siguientes:

a) Para cargas estáticas: 3.0

b) Para solicitación máxima de sismo o viento (la que sea más desfavorable): 2.5

3.4 Presión AdmisibleLa determinación de la Presión Admisible, se efectuará tomando en cuenta los siguientes factores:

a) Profundidad de cimentación

b) Dimensión de los elementos de la cimentación

c) Características físico-mecánicas de suelos ubicados dentrode la zona activa de la cimentación

d) Ubicación del nivel freático

e) Probable modificación de las características físicomecánicas de los suelos, como consecuencia de loscambios en el contenido de humedad

f) Asentamiento tolerable de la estructura

La presión admisibleLa presión admisible será la menor de la que se obtenga mediante:

a) La aplicación de las ecuaciones de capacidad de carga por corte afectada por el factor de seguridadcorrespondiente (ver sección 3.3).

b) La presión que cause el asentamiento admisible.


Capacidad Portante de Suelos

(a) Falla por corte general(arena densa)

(c) Falla por punzamiento(arena muy suelta)

(b) Falla por corte local (arena medio densa)

Capacidad Portante de Suelos

Modos de Falla por Capacidad Portante en Zapatas

Ref. (Vesic, 1963)

a) CAPACIDAD DE CARGA POR CORTE

Tenemos las ecuaciones dadas por Meyerhof, Skempton, Hansen, Terzaghi, siendo las mas utilizada la de este ultimo, quien determino la capacidad de carga del suelo teniendo en consideracion, la cota de fundacion, forma de cimentacion, Tipo de suelo, cohesion, friccion, tipo de Aplicación de las cargas, etc.


Franja cargada, ancho BCarga por unidad de área de cimentaciónZapata cuadrada de ancho B

γγγ BNNDcNq qfcd 21

++=

Carga por unidad de área:

γγγ BNNDcNq qfcds 4.02.1 ++=

Falla general por corte:Falla general por corte:

Capacidad Portante de Zapatas Corridas

(L/B>5) – Corte General

B

d

Q

qNqNBccNqult ++= γγ21

+=

+=

−=

1953)Kerisel,y(Caquot

)1(2

)2

45(

)1(cot

2

NqtgN

tgeNq

NqgcN

tg

φγ

φ

φ

φπB

qult

q = γd

C, φ, γ suelo

Factores de capacidad de Carga para suelos Densos

VALORES DE Nc y Nq 5.14 1.00 VALORES DE Nγ

B

Franja cargada, ancho BCarga por unidad de área de cimentaciónZapata cuadrada de ancho B

γγγ BNNDcNq qfcd 21

++=

Falla local por corte:

γγγ NBNDNcq qfcd ′+′+′=21

32

Carga por unidad de área:

60 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80

40°

30°

Nq

Nc

N'q N'γN'c

VA

LOR

ES D

E φ

φ= 45°, Nγ = 24020°

10°

0°

Superficieaspera

Peso unitario de terreno = γResistencia al corte unitarioS = C + P tan φ

Df

Nγ

γγγ BNNDcNq qfcds 4.02.1 ++=

CARTA MOSTRANDO LA RELACIÓN ENTRE φ Y FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA:

Falla general por corte:

Factores de Forma (Vesic, 1973)

NqqSqNBSccNcSqult ++= γγγ 21

1.001.582.01

1.201.612.01

03045

CIRCULARO

CUADRADA

1 + tg φ0.60

1.001 + 0.58 (B/L)

1 + 1.00 (B/L)

1 + 0.20 (B/L) 1 + 0.61 (B/L)1 + 1.01 (B/L)

03045

1 + tg φ (B/L)1-0.4 (B/L)

RECTANGULAR

Sq SγScφoForma

)/(1 NcNq+

)/()/(1 LBNcNq+

Carga Excéntrica e Inclinada (Meyerhof, 1953)

Qv

∝

e

B

Q

qNqBeBN

Be

BQultq v

v222 )

901()21(

21)1()21()( ∝

−−+∝

−−== γγφ

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA

1.041.071.111.151.19

1.041.081.121.151.20

330.35403.67496.01613.16762.89

158.51187.21222.31265.51319.07

152.10173.64199.26229.93266.89

4647484950

0.870.900.930.971.00

0.880.910.940.971.01

130.22155.55186.54224.64271.76

73.9085.3899.02115.31134.88

83.8693.71

105.11118.37133.88

4142434445

0.730.750.780.810.84

0.750.770.800.820.85

56.3166.1978.0392.25109.41

37.7542.9248.9355.9664.20

50.5955.6361.3567.8775.31

3637383940

0.600.620.650.670.70

0.630.650.680.700.72

25.9930.2235.1941.0648.03

20.6323.1826.0929.4433.30

32.6735.4938.6442.1646.12

3132333435

0.490.510.530.550.58

0.530.550.570.590.61

12.5414.4716.7219.3422.40

11.8513.2014.7216.4418.40

22.2523.9425.8027.8630.14

2627282930

0.380.400.420.450.47

0.450.460.480.500.51

6.207.138.209.4410.88

7.077.828.669.6010.66

15.8216.8818.0519.3220.72

2122232425

0.290.310.320.340.36

0.370.390.400.420.43

3.063.534.074.685.39

4.344.775.265.806.40

11.6312.3413.1013.9314.83

1617181920

0.190.210.230.250.27

0.310.320.330.350.36

1.441.691.972.292.65

2.712.973.263.593.94

8.809.289.81

10.3710.98

1112131415

0.110.120.140.160.18

0.250.260.270.280.30

0.570.710.861.031.22

1.721.882.062.252.47

6.817.167.537.928.35

6789

10

0.020.030.050.070.09

0.200.210.220.230.24

0.070.150.240.340.45

1.091.201.311.431.57

5.355.635.906.196.49

12345

0.000.200.001.005.140

tg φNq/NcNγNqNcφ

(VESIC, 1973)

Falla local por corte:

Si la Falla es del tipo Local, (N ≤ 5 ) , se debe corregir el valor de la Cohesion tomando un valor:

C´ = 2/3 C

Y calcular los coeficientes de capacidad de Carga para un φcorregido.

φ = arc Tan (2/3 tan φ)

Tendriamos:

γγγ NBNDNcq qfcd ′+′+′=21

32

B)B) PRESION ADMISIBLE POR ASENTAMIENTOPRESION ADMISIBLE POR ASENTAMIENTO

Es aquel que al ser aplicada por una cimentacion de un tamaño especifico, produce un asentamiento igual al asentamiento admisible de la estructura.

En suelos arenosos el asentamiento de una zapata depende de la Densidad Relativa de la Arena, el B de la Zapata, La Df de la cimentación, el espesor del estrato y la ubicación del N.F.

El procedimientos usado comúnmente para investigar los depósitos de arena es el SPT.

En algunos casos, luego de la investigación de los depósitos granulares por medio del SPT , se puede recurrir a pruebas de carga, para obtener resultados mas precisos.

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0

10

30

20

40

50

70

80

60

Suelta

M uy suelta

M uycom pactaCom pactaM edia

Angulo de fricción interna, o (grados)/

Penetración estándar N (golpes/30 cm

)

Factores de capacidad de carga N y Nq

Factores de capacidad de carga teniendo en cuenta la falla local.

Ref. (Peck, Hansen y Thornburn, 1953)

N

N

N q

Capacidad Portante de Zapatasen Arena

Terzaghi relaciono los asentamientos de cimentaciones reales en arenas, con resultados de ensayos de pruebas de carga, los comparo con los resultados de los ensayos del SPT y obtuvo los resultados que ligeramente modificados se pueden expresar mediante las siguientes ecuaciones:

Para B ≥ 1.20 m.

qadm = (0.0864 N – 0.108)(B + 0.30)2 *fE* fNF * fδ * f Df

B


Para B < 1.20 m.

qadm = (0.135 N – 0.169) *fE* fNF * fδ * f Df

Para determinar la presion admisible en suelos granulares, se requiere definir un valor de N, representativo del suelo ubicado dentro de la zona acriva de cimentacion.


Asientos diferenciales improbables Asientos diferenciales inevitables

Fachada sur apoyada en capa de grava compacta, pero las restantes lo hacen sobre un banco resistente, pero de poco espesor. Resultado: asentamientos.

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

1

2

3

4

5

0

1

2

3

4

5

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

SPT Correction Factor CN

Effe

ctiv

e O

verb

urde

n St

ress

σ

- TSF

- V

Effe

ctive

Ove

rbur

den

Stre

ss σ

- T

SF- V


(a) (b)

0

1

2

3

4

5

0.50 1.0 1.5 2.0 2.5

Bazaraa(1967)

Proposed C(Dashed Line)

N

Seed(1967)

Proposed C σ v1

N

σ in units of TSFv

Tokimatsu andYoshimi (1983)(Dashed Line)

Seed(1976)

Bazaraa (1967)

Teng (1962)

Bazaraa (1967)

Comparison of Proposed C with Bazaraa (1967) and Seed (1969) Correction FactorsN

Seed(1979)

Dr40-60%

Dr60-80%

Peck, Hansen andThornburn (1974)

Reference(1)

N

Teng (1962)

Bazaraa (1967)

Peck, Hansen, andThornburn (1974)

Correction Factor C(2)

50

10 + σrC =N

σr < 1.5

σr > 1.5

C =N 0.77 log1020σ r

C =N 1 - 1.25 log10

σr

C =N1.7

0.7 + σ r

C =N

41 + 2σr

43.25 +0.5σr

Ver Fig. 1(b)

Units of σ(3)

psi

ksf

tsf

tsf

tsf

kg/cm5

Seed (1976)

Seed (1979)

Tokimatsu andYoshimi (1983)

Inconsistent Consistent


Effe

ctive

Ove

rbur

den

Stre

ss σ

- T

SF- V

Ensayos In-Situ - SPT

DensidadDr%

SPTN

Cono Holandésq (TSF)u

φ°

Muy Suelta

Suelta

Compacta

Densa

Muy Densa

< 20

20 - 40

20 - 60

60 - 90

> 60

< 4

4 - 10

10 - 30

30 - 50

> 50

< 20

20 - 40

40 - 120

120 - 200

> 200

< 30

30 - 35

35 - 40

40 - 45

> 45

Relación de Densidad y Angulo de Fricción

(Meyerhof, 1953)

0 5 10 15 20 25 30

σ Ton/m 5vo

0

10

20

30

40

50

60

70

0

10

20

30

40

50

60

700 5 10 15 20 25 30

SPTN

φ =

50

φ = 45

φ = 40

φ = 35

φ = 30

φ = 25

Efecto de Sobrecarga en Angulo de Fricción(De Mello, 1970)

(De Mello, 1970)

Ensayos In-Situ

Ensayos In-Situ

Suelto Medio denso Denso Muy Denso

Muy Suelto

0

10

20

30

40

50

60

7028 30 32 34 36 4038 42 44

Angulo de resistencia cortante φ en grados

Res

iste

ncia

a la

pen

etra

ción

sta

ndar

d N

(gol

pes

por

300

mm

)

Correlación de Angulo de Fricción y el N(SPT)

Ref. (Peck, Hanson y Thorburn, 1974)

ASENTAMIENTO DE ESTRUCTURAS CIMENTADAS SOBRE ARENA

FIN DE LA EXPOSICIONFIN DE LA EXPOSICION

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