Cimentaciones superficiales

La parte inferior de una estructura se denomina generalmente cimentación y su función es transferir la carga de la estructura al suelo en que ésta descansa. Una cimentación adecuadamente diseñada es la que transfiere la carga a través del suelo sin sobresforzar a éste. Sobresforzar al suelo conduce a un asentamiento excesivo o bien a una falla cortante del suelo, provocando daños a la estructura. Por esto, los ingenieros geotecnistas y estructuristas que diseñan cimentaciones deben evaluar la capacidad de carga de los suelos.

Dependiendo de la estructura y suelo encontrados se usan varios tipos de cimentaciones. La figura 11.1 muestra los tipos más comunes. Una zapata aislada o corrida es simplemente una ampliación de un muro de carga o columna que hace posible dispersar la carga de la estructura sobre un área grande del suelo. En suelos con baja capacidad decarga, el tamaño de las zapatas requeridas es grande y poco práctica. En tal caso, es más económico construir toda la estructura sobre una losa de concreto, denominada losa de cimentación.

Las cimentaciones con pilotes y pilas perforadas se usan para estructuras más pesadas cuando se requiere gran profundidad para soportar la carga. Los pilotes son miembros estructurales hechos de madera, concreto o acero, que transmiten la carga de la superestructura a los estratos inferiores del suelo. Según como transmiten sus cargas al subsuelo,los pilotes se dividen en dos categorías: pilotes de fricción y pilotes de punta. En el caso de los pilotes de fricción, la carga de la superestructura es soportada por los esfuerzos cortantes generados a lo largo de la superficie lateral del pilote. En los pilotes de punta, la carga soportada es transmitida por su punta a un estrato firme.

En el caso de pilas perforadas, se taladra un agujero en el subsuelo y luego se rellena con concreto, debiéndose usar un ademe de metal mientras se taladra el agujero. El ademe se deja ahogado en el agujero o se retira durante la colocación del concreto. Generalmente, el diámetro de una pila perforada es mucho mayor que el de un pilote. La distinción entre pilotes y pilas perforadas deja de ser clara para un diámetro de aproximadamente 1 m, y luego las definiciones y la nomenclatura son inexactas.

Las zapatas corridas y las losas de cimentación se denominan cimentaciones superficiales y las cimentaciones con pilotes y pilas perforadas, se clasifican como profundas.En un sentido más general, las cimentaciones superficiales son aquellas que tienen una razón de profundidad de empotramiento a ancho de aproximadamente menor que cuatro. Cuando la razón de profundidad de empotramiento contra ancho es mayor, la cimentación se clasifica como profunda.

Para que una cimentación funcione apropiadamente, 1) el asentamiento del suelo causado por la carga debe estar dentro del límite tolerable, y 2) no debe ocurrir la falla por cortante del suelo que soporta la cimentación.

CONCEPTOS GENERALES

Consideremos una franja de cimentación (es decir, una cuya longitud es teóricamente infinfta) descansando sobre la superficie de una arena densa o de un suelo cohesivo firme

La variación de la carga por área unitaria sobre la cimentación q, junto con el asentamiento de la cimentación también se muestra en la figura En un cierto punto, cuando la carga por área unitaria es igual a qu, tiene lugar una falla repentina en el suelo que soporta la cimentación, y la superficie de falla en el suelo se extenderá hasta la superficie del terreno. A esta carga por área unitaria que se le denomina capacidad última de carga de la cimentación. A este tipo de falla repentina en el suelo se le llama falla por cortante general

Si la cimentación bajo consideración descansa sobre arena o suelo arcilloso de compactación media

Un incremento de la carga sobre la cimentación también estará acompañado por un aumento del asentamiento. Sin embargo, en este caso la superficie de falla en el suelo se extenderá gradualmente hacia afuera desde la cimentación, como se muestra por las líneas continuas Cuando la carga por área unitaria sobre la cimentación es igual a qu(l), el movimiento de la cimentación estará acompañado por sacudidas repentinas. Se requiere entonces un movimiento considerable de la cimentación para que la superficie de falla en el suelo se extienda a la superficie del terreno (como se muestra por las líneas de rayas ) La carga por área unitaria a la que esto ocurre es la capacidad de carga última qu. Más allá de este punto, un aumento de la carga estará acompañado por un gran incremento de asentamiento de la cimentación. La carga por área unitaria de la cimentación, qu(l), se llama carga primera de falla (Vesic, 1963). Note que un valor pico de q no se alcanza en este tipo de falla, denominado falla por cortante local en el suelo.

Si la cimentación está soportada por un suelo bastante suelto, la gráfica carga asentamiento será:

En este caso, la superficie de falla en el suelo no se extenderá hasta la superficie del terreno.

Más allá de la carga última de falla, qw la gráfica carga-asentamiento será muy empinada y prácticamente lineal. Este tipo de falla en el suelo se denomina falla de cortante por punzonamiento.

Cimentaciones con excentricidad en dos direcciones

Considere una situación en que una cimentación es sometida a una carga vertical última Qúlt y a un momento M

Para este caso, las componentes del momento M respecto a los ejes x y y son Mx y My, respectivamente Esta condición es equivalente a una carga Qúlt colocada excéntricamente sobre la cimentación con x = eB y y = eL

MECANICA DE ROCAS

La mecanica de rocas es la ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de la roca. Por lo general, es poco rentable llevar a cabo pruebas complicadas y costosas in-situ para la determinación de los parámetros de ingeniería de la roca a menos que sea un proyectos de gran tamaño.

Una solución, es combinar las pruebas de laboratorio con el simple pero eficaz equipo de prueba de campo.

La Mecánica de Rocas se encarga del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico.

La finalidad de la Mecánica de Rocas es conocer y predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante la actuación de las fuerzas internas y externas que se ejercen sobre ellos.

Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se agrupan en:

1) Cuando el material rocoso constituye la estructura (excavaciones de túneles, taludes, etc.).

2) Cuando la roca es el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios, presas, etc.).

3) Cuando las rocas son empleadas como material de construcción (terraplenes, gaviones, rellenos, etc.).

Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre las rocas se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose.

El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a soportar el material rocoso ante unas determinadas condiciones permite evaluar su comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y obras de ingeniería. La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tipos de rocas y macizos

rocosos, que dependen de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.

FACTORES GEOLOGICOS QUE DOMINAN EL COMPORTAMIENTOY LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS

1. La Litología y propiedades de la matriz rocosa.

2. La estructura geológica y las discontinuidades.

3. El estado de esfuerzos a que está sometido el material.

4. El grado de alteración o meteorización.5. Las condiciones Hidrogeológicas.

ÍNDICE DE CALIDAD DE LAS ROCAS, RQD

Se basa en la recuperación modificada de un testigo (El porcentaje de la recuperación del testigo de un sondeo)

Depende indirectamente del número de fracturas y del grado de la alteración del macizo rocoso.

o Se cuenta solamente fragmentos iguales o superiores a 100 mm de longitud.

o El diámetro del testigo tiene que ser igual o superior a 57.4 mm y tiene que ser perforado con un doble tubo de extracción de testigo.

CLASIFICACION DE BIENIAWSKI (R.M.R)

El sistema de clasificación Rock Mass Rating o sistema RMR fue desarrollado por Z.T. Bieniawski durante los años 1972- 73, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a más de 300 casos reales de túneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edición de 1989, que coincide sustancialmente la con de 1979. Para determinar el índice RMR de calidad de la roca se hace uso de los seis parámetros del terreno siguientes:

La resistencia a compresión simple del material.

El RQD (Rock Quality Designation).

El espaciamiento de las discontinuidades.

El estado de las discontinuidades.

La presencia de agua.

La orientación de las discontinuidades.

RESISTENCIA DE LA ROCA.- Tiene una valoración máxima de 15 puntos, y puede utilizarse como criterio el resultado del ensayo de resistencia a compresión simple o bien el ensayo de carga puntual (Point Load).

RQD.- Tiene una valoración máxima de 20 puntos. Se denomina RQD de un cierto tramo de un sondeo a la relación en tanto por ciento entre la suma de las longitudes de los trozos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del sondeo.

SEPARACION ENTRE DISCONTINUIDADES.- Tiene una valoración máxima de 20 puntos. El parámetro considerado es la separación en metros entre juntas de la familia principal de diaclasas la de roca.

ESTADO DE LAS DISCONTINUIDADES.- Es el parámetro que más influye, con una valoración máxima de 30 puntos. Pueden aplicarse los criterios generales, en la que el estado de las diaclasas se descompone en otros cinco parámetros: persistencia, apertura, rugosidad, relleno y alteración de la junta.

PRESENCIA DE AGUA.- La valoración máxima es de 15 puntos. La ofrece tres posibles criterios de valoración: estado general, caudal cada 10 metros de túnel y relación entre la presión del agua y la tensión principal mayor en la roca.

ORIENTACION DE LAS DISCONTINUIDADES.- Este parámetro tiene una valoración negativa, y oscila para túneles entre O y -12 puntos. En función del buzamiento de la familia de diaclasas y de su rumbo, en relación con el eje del túnel (paralelo o perpendicular), se establece una clasificación de la discontinuidad en cinco tipos: desde muy favorable hasta muy desfavorable

El RMR se obtiene como suma de unas puntuaciones que corresponden a los valores de cada uno de los seis parámetros enumerados. El valor del RMR oscila entre O y 100, y es mayor cuanto mejor es la calidad de la roca.

CALCULOS Y RESULTADOS

CALCULO DEL RMR (ROCK MASS RATING):

Teniendo como dato el índice de rebote promedio hallado con el martillo de smith que en nuestro caso es 64,3 buscamos en la tabla que relaciona el índice de rebote y la resistencia a la compresión simple (según K. DEERE y MILLER), y observamos k no hay valor para este índice de rebote(solo existe para índices menores o iguales a 60), entonces utilizamos la siguiente relación:

Teniendo de datos:

Ir (índice de rebote)=64,3

Pe (peso especifico)=26 KN/m3

( esf. a la compresión) : MPa

Remplazando valores: =302.81

Con este valor del esfuerzo a la compresión y los datos obtenidos en campo, completamos la siguiente cuadro hallando los índices en la tabla I de BIENIAWSKI:

PARAMETROS VALORES

DESCRIPCION VALORACION(índice)

RESISTENCIA A LA COMPRESION 302,84 MPa 15

RQD(%) 74% 13

ESPACIAMIENTO EN DISCONTINUIDADES 18.5 10

CONDICION DE DISCONTINUIDAD

SUPERFICIES LIGERAMENTE

RUGOSAS Y DURAS, SEPARACION<1mm 20

CONDICION DE AGUA SECO 10

TOTAL RMR BASICO: 68

El cálculo del RQD lo obtenemos a partir del espaciamiento promedio entre discontinuidades < 10 cm, el valor del RQD es hallado por tabla usando este espaciamiento en milímetros y su valoración correspondiente en la tabla de BIENIAWSKI.

La corrección va de acuerdo a la construcción a realizarse, para lo cual consideraremos la construcción del túnel con avance contra el buzamiento, teniendo un buzamiento de la familia mas representativa de =640 y un rumbo paralelo al eje del túnel. Con este valor obtenemos una corrección de -12 , entonces:

Corrección (debido a la construcción): -12

RMR corregido: 68-12=56

Con este valor de RMR corregido nos vamos a la tabla #4 de BIENIAWSKI y obtenemos:

TIPO III

DESCRIPCION REGULAR

Tiempo aproximad de autosoporte: 1 semana

Luz: 3m

Cohesión de la masa rocosa: 150-200KPa

Angulo de fricción: 350 - 450

calculamos la dimensión equivalente usando el Q de Barton de la siguiente formula:

56=9LnQ+44 ! Q = 3.79

Con este valor de Q nos vamos a la figura #1 y

obtenemos

En la tabla #6 calculamos el valor ESR(relación de soporte de la excavación):

Considerando excavaciones mineras temporales, entonces ESR = 3.

! Claro diámetro o altura=3x4=12m, esto quiere decir que el Span es de 12m

En la figura #2 calculamos la categoría del sostenimiento, teniendo como datos Q y De

Obteniendo: categ. de sostenimiento =21, con este valor buscamos el categoría en las

tabla #8 con los siguientes datos:para la cual nos indica el tipo de sostenimiento a utilizar, siendo esta: S 2.5 - 5.0cm

Esto quiere decir que debemos aplicar Schotcrete con un espesor entre 2.5 y 5.0 cm .

Recomendaciones:

Debemos tomar en campo las distancia entre las discontinuidades de la familia mas representativa o caso contrario, si tenemos varias considerables cambiamos de método como por ejemplo el de Hook y Bronw.

Para la obtención del índice de rebote con el martillo de smith debemos tomar las muestras en lo posible en toda nuestra área de trabajo, y para tomar el valor promedio debemos quitar los valores k se encuentren muy diferenciados.

- Debemos tener bien en claro la construcción que se va realizar ya que esto varia mucho en nuestro RMR corregido

Ser muy observador, ya que esto es muy factor muy importante al momento de hacer consideraciones para el cálculo de RMR y demás.

ESTADOS DE EQUILIBRIO PLÁSTICO EN EL SUELO SITUADO DEBAJO DE ZAPATAS

CONTINUAS.

Prandtl fue el primero que estudió en 1920 los mecanismos de falla relativos a los

estados de equilibrio plástico que se desarrollan en el suelo debajo de zapatas continuas,

cuyos resultados presentamos a continuación.

Caso de zapata superficial lisa

La figura del capítulo 19 muestra una zapata cimentada en la superficie de un suelo que

posee cohesión y fricción, cargada hasta un momento antes de producirse la falla. Como

puede observarse, el suelo se deforma simétricamente, rompiendo a lo largo de la curva

EDCD´E´ que delimita una zona dividida en cinco cuñas marcadas I, II, y III. La cuña I

permanece en estado activo y presiona lateralmente las cuñas simétricas II que no está

en un estado plástico definido. Ambas cuñas están separadas por una línea cuya

inclinación es 45 + Ф/2 respecto a la horizontal. Las grietas que se presentan en las cuñas

II parten de los bordes de la zapata, dándole un aspecto de corte radial. Estas, a su vez,

presionan las cuñas III, que se encuentran en estado pasivo, empujándolas hacia fuera.

Las líneas de deslizamiento corresponden a espirales logarítmicas con sus centros

coincidentes con los puntos A y B de la figura. Si la carga es aumentada por encima del

valor de Qd, se podría observar el desplazamiento de la zona III hacia fuera y arriba.

Prandtl estableció que la capacidad de carga por unidad de área (qd) a la rotura para un

cimiento continuo sobre arcilla blanda es:

qd = (Π+2)c

Donde:

C: cohesión no drenada para la condición Ф = 0

Anteriormente se había establecido la validez de la relación c = ½ qu en suelos arcillosos

blandos y saturados, de modo que sustituyendo este valor de la cohesión en la ecuación

de Prandtl, obtenemos:

qd = (5.14)qu/2

qd = 2.57 qu

Caso de zapata superficial rugosa.

El esquema de deslizamientos representado en al figura capítulo 19 corresponde al caso

de una cimentación superficial rugosa. Debido a la fricción entre el cimiento al ras del

terreno y el suelo, éste rompe a lo largo de la curva EDCD´E´, formándose una región con

divisiones en cuñas similares a las del caso de zapata lisa. La cuña I no llega al estada de

equilibrio plástico, sino que permanece en estado elástico unidad al cimiento por la

fuerza de vínculo generada por la rugosidad. Por su parte, las cuñas II y III permanecen en

condiciones idénticas al caso anterior; de modo que las designadas por II y III

permanecen en condiciones idénticas al caso anterior; de modo que las designadas por II

tienen aspecto de fisuras radiales y las identificadas por III permanecen en el estado

pasivo de Rankine. Nótese que la frontera entre las cuñas I y II está inclinada un ángulo Ф

respecto a la horizontal.

En este caso, Prandtl estableció empíricamente que la capacidad de carga unitaria es:

qd = 5.70c

En arcilla blanda, la expresión anterior se transforma en:

qd = 5.70 qu/2

qd = 2.85 qu

Concluimos entonces que la fricción producto de la rugosidad del cimiento favorece la

capacidad de carga.

Teoría de Terzaghi en la determinación de la capacidad de carga de cimientos continuos

superficiales.

Basándose en los estudios de Prandtl, Terzaghi propuso el esquema de deslizamientos

ilustrado en la figura de más adelante para cimientos continuos superficiales.

Supongamos que estamos cimentando a cierta profundidad Df de la superficie del

terreno y que sólo consideraremos la resistencia al esfuerzo cortante del suelo por

debajo del plano de fundación. El efecto del suelo suprayacente a dicho plano, puede

considerarse como una sobrecarga de intensidad q = y.Df.

Las fuerzas actuantes que componen el sistema en equilibrio próximo a la falla son:

Qd: carga a punto de producir la falla.

Pp: resistencia pasiva del suelo desplazado a la penetración del cimiento.

Ca: fuerza de adherencia debido al efecto de la cohesión en las superficies fronteras de

cuñas I y II que forman un ángulo… con la horizontal.

Considerando el equilibrio del sistema y despreciando el peso de la cuña I tenemos:

…V = 0 = Qd – 2 Pp – 2 Ca sen Ф

Qd = 2 (Pp + Ca sen Ф)

Como Ca = C.I.I, donde I = B/2 cos Ф se tiene que:

Qd = 2 (Pp + c (B/2cos Ф) 1. sen Ф)

= 2 (Pp + ½ c B tan Ф)

En esta ecuación Pp es la única incógnita y podemos descomponerla en tres términos: Pc,

Pq, y Pp´, que representan los efectos de la cohesión, de la sobrecarga:

q = y.Df

y del peso del suelo en las cuñas II y III, respectivamente. Con estas consideraciones,

podemos escribir:

Qd = 2 (Pc + Pq + Pp´ + ½ cB tan Ф)

Terzaghi calculó algebraicamente los valores de Pp´, Pc y Pq sustituyéndolos en la

expresión anterior la transformó como sigue:

Qd = B (c. Nc + y. Df. Nq + ½ y. B. Ny)

Donde Nc, Nq y Ny con los llamados factores de capacidad de carga, valores numéricos

dependientes exclusivamente del ángulo de fricción interna.

Los valores de los factores de capacidad de carga

Nc = (2Pc/B.c) + tan Ф

Nq = (2Pq/y.Df.B)

Ny = (4Pp´/y.B2)

Están tabulados en el apéndice del capítulo 19 del libro de Penson; Manual de Cátedras

de Mecánica de Suelo o se pueden obtener del siguiente gráfico….

Para el caso de que los suelos sean de falla local (blandos o sueltos), se aprovechan en

parte los valores de los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante con el fin de

cubrirnos de hundimientos excesivos. De modo que introduciendo los nuevos valores de

c y Ф.

c´ = 2/3c

Tan Ф = 2/3 tan Ф

Terzaghi adapta fácilmente su teoría y determina que la capacidad de carga para suelos

de falla local viene dada por la siguiente expresión:

Qd = B (2/3 c N´c + y Df N´q + ½ y B N´ y)

Donde N´c, N´q y N´y son los nuevos factores de capacidad de carga, ofrecidos en el

apéndice anteriormente mencionado se puede determinar mediante las curvas

representadas a trazos en la gráfica presentada por Terzaghi.

Caso de zapatas aisladas.

Frecuentemente en la práctica se requieren cimientos aislados para tanque, columnas,

pedestales, etc. a los cuales no pueden aplicarse las fórmulas anteriormente

desarrolladas. Basándose en resultados experimentales, Terzaghi realizó algunas

modificaciones a la ecuación fundamental y llegó a las siguientes conclusiones:

- En Zapatas circulares de radio r, la capacidad de carga unitaria puede tomarse

como:

qdr = 1.2c. Nc + y. Df. Nq + 0.6 y. r. Ny

Qdr = Π r2(qdr)

- En zapatas cuadradas de lado B:

qds = 1.2c. Nc + y. Df. Nq + 0.4 y. B. Ny

Qds = B2 (qds)

Estas ecuaciones son válidas solo para cimientos solicitados por carga vertical axial en

suelos de falla general. Si se trata de suelos blandos o sueltos se introducen los factores

primos.

Puede notarse que la evaluación de la capacidad de carga de un cimiento es compleja, ya

que no se obtiene directamente mediante un único ensayo. Qd es función de:

- Las características físicas del suelo sensibilizado: cohesión, ángulo de fricción

interna y peso unitario del suelo sobre el plano de fundación.

- La profundidad de cimentación Df. Nótese en la figura siguiente que las cuñas III

tienden a levantarse bajo la carga Qd, pero a esto opone el peso propio. De aquí

que a mayor profundidad de cimentación, mayor peso propio de suelo y por tanto

más capacidad de carga. Sin embargo, no puede abusarse de la relación directa Df-

Qd porque se alteran notoriamente los costos.

- El tamaño del cimiento. En igualdad de condiciones, la capacidad de carga

aumenta con la dimensión de la zapata, B o r.

Hasta ahora se ha encontrado el valor de la capacidad de carga a la falla. Como no

podemos diseñar a la rotura, nos protegeremos mediante un factor de seguridad ( F.S)

que se elige dependiendo de la bondad del material, del temor que se tenga, etc. entre

un rango de dos a cuatro.

INTRODUCCIÓN

En el presente escrito estaremos presentado un conjunto de temas, los cuales son las cimentaciones, tanto profundas como superficiales, siendo estas las que soportan toda la carga de todo tipo de infraestructura también trataremos sobre arcillas expansivas que es un fenómeno perjudicial para las construcciones ya que al humedecerse el suelo se expande otro tema a tratar son las mecánica de rocas y el estado de equilibrio plástico de las zapatas

BIBLIOGRAFÍA

En la web:

http://es.wikipedia.org/wiki

www.google.com.do

Libros de textos:

Manual de cátedras de mecánica de suelo I, Enrique Penson.

Fundamentos de Ingeniería Geotécnica - Braja M. Das

Universidad tecnológica de SantiagoUTESA

Trabajo final

Cimentaciones profundas, cimentaciones superficiales, arcillas expansivas y Estado de equilibrio plástico debajo de las zapatas

Laboratorio de Mecánica Suelos II

ICV -265-002

Estudiantes:

Anthony Tavárez-----------------------------------------2-10-1424

Jean calos Moronta------------------------------------1-11-0292

Giancarlos Taveras--------------------------------------1-10-0386

José Sánchez----------------------------------------------1-09-1908

Gabriel Gutiérrez-----------------------------------------2-10-8586

Luis Fermín de la Rosa---------------------------------1-10-1234

Jorge Luis Rodríguez------------------------------------1-05-1012

Juan Samuel Rosado-------------------------------------2-09-2786

Profesor:

Ing. Agustin

Lunes 14 de abril de 2014, Santiago, Republica Dominicana