Primer Parcial Fundaciones

“ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA” CARRERA: INGENIERIA CIVIL MATERIA: FUNDACIONES

1. DESCRIBA LA ANALOGÍA MECÁNICA DE TERZAGHI

La analogía mecánica de Terzaghi es un modelo mecánico propuesto por Terzaghi para estudiar el proceso de consolidación unidimensional.

Tenemos lo siguiente: P

Cilindro de sección APistón sin fricción con una perforaciónFluído incompresibleResorte

Se aplica P con el orificio cerrado el resorte no se puede deformar la carga P la soporta el fluídoSe abre el orificiohay un gradiente de presión P/A que hace que el agua slaga al exteriorla carga se transfiere al resorteLa velocidad de transferencia de la carga depende del tamaño del orificio y de la viscosidad del fluido.La posición finalla carga la toma el resorte

u: presión en exceso de la hidrostática

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TRABAJO


p’: presión en el resorte

En el suelo tenemos:

Estructura de partículas sólidas ResorteAgua intersticial Fluído incompresibleCapilares contínuos (vacíos) Orificios

2. DESCRIBA EL ENSAYO DE “LA VELETA” PARA CALCULAR LA COHESION NO DRENADA (cu)

La veleta es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar el parámetro de resistencia al corte no drenado cu de un suelo, tiene la ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual evita el transporte una muestra de suelo. En el caso de suelos compuestos de limo y arcilla en especial los de alta sensibilidad, el efecto de las alteraciones durante el ensayo pueden ser bastante considerables en lo que respecta a la confiabilidad de los resultados medidos en el laboratorio, por lo cual este instrumento proporciona información bastante aproximada.

Figura 6.63. Extremo inferior de la Veleta.

El ensayo con la veleta de corte es ideal para el caso de suelos compuestos de arcillas saturadas sin fisuras y limos saturados. No es tan confiable para suelos

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fisurados o secuencias de microestratos. Básicamente el extremo inferior de la veleta consiste en cuatro aspas montadas en el extremo de una barra de acero (Figura 6.62). Después de hincar la veleta en el suelo, se hace girar aplicando un par de torsiones en el extremo libre de la varilla. Se gira primero la veleta entre 6 y 12º por minuto para determinar el parámetro de resistencia al corte sin perturbación y a continuación se mide la resistencia remoldeada haciendo girar con rapidez la veleta. La superficie afectada constituye el perímetro y los extremos de un cilindro.

La Figura 6.63a muestra las dimensiones estándar de la veleta con respecto al diámetro que genera. La veleta es instalada en el suelo con ayuda de otro accesorio donde es ensamblada con todos sus accesorios, la Figura 6.63b muestra gráficamente los pasos para el ensamblado de la veleta. El parámetro de resistencia al corte no drenado se obtiene igualando el valor del momento de torsión con el momento de la fuerza cortante, por lo que se tendrá la expresión:

6.44Donde:

cu = Parámetro de resistencia al corte no drenada.T = Momento torsor de la veleta.h = Altura de las aspas de la veleta.D = Diámetro de la circunferencia que genera la veleta al girar.

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Figura 6.64. Ensamblado de la veleta en campo (U.S. Navy, 1982).(a) Dimensiones estándar. (b) Ensamblado.

3. DESCRIBA EL ENSAYO TRIAXIAL CONSOLIDADO DRENADO PARA CALCULAR LA COHESION EFECTIVA Y EL ANGULO DE FRICCION EFECTICA (CD).

A este ensayo se lo conoce también como ensayo lento (S). El drenaje se permite en las dos últimas etapas, de este modo se tiene una consolidación bajo la presión de cámara y el exceso de presión de poros se disipa durante “la aplicación lenta del esfuerzo desviador”.

ETAPAS DEL PROCEDIMIENTO

En la primera etapa se satura la muestra completamente de agua, en la segunda esta es consolidada bajo una presión isotrópica de cámara y en la tercera etapa se aplica una carga axial, que va incrementándose a un ritmo suficientemente lento para que no se presente un incremento en la presión de poros. Con un drenado total y una velocidad adecuada, se asegura que la presión de poros en la muestra

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permanezca constante, entonces el incremento en el esfuerzo efectivo es igual al incremento del esfuerzo total (Δσ’(esfuerzo efectivo) = Δσ(esfuerzo total)).

Se utiliza la válvula para vigilar la presión de poros, con la válvula y las lecturas de los deformímetro que controlan la carga y la deformación vertical se mide el cambio de volumen de la probeta. El objetivo del ensayo es determinar los parámetros de resistencia efectivos c' y Φ' del suelo.

Para determinar los esfuerzos principales y dibujar el círculo de esfuerzo de Mohr se procede de la misma manera que para el caso del ensayo UU, entonces se grafica la variación de la deformación vertical respecto al esfuerzo desviador.

Grafico de la relación entre la deformación vertical y el esfuerzo desviador entre 2 tipos de suelo:

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Obteniendo de la curva mostrada en la figura anterior el esfuerzo desviador de falla (σd)f que puede ser el valor pico o crítico, se determina el esfuerzo principal mayor con la expresión:

σ'1)f = (σ'3)f + (σd)

El esfuerzo principal menor efectivo de falla (σ'3)f, será el esfuerzo isotrópico aplicado en la cámara para la consolidación de la probeta. Para trazar la envolvente de falla y determinar los parámetros de resistencia efectivos, se deben trazar tres círculos como se muestra en la figura siguiente:

Envolvente de falla para un suelo Tipo I en un ensayo triaxial CD.

4. COMO SE MODIFICA EL VALOR DE Nc EN LA TEORIA DE SKEMPTON.

Skempton encontró que el valor de Nc no es independiente de la profundidad de desplante también encontró de acuerdo con la intuición que Nc crece al aumentar la profundidad de desplante del cimiento si bien este crecimiento no es ilimitado, de manera que Nc permanece ya constante de una cierta profundidad de desplante en

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adelante SKEMPTON propone adoptar para la capacidad de carga en suelos puramente cohesivos una expresión de forma totalmente análoga a la de Terzaghi, según la cual:

qc =cNc+ γDf

La diferencia estriba en que ahora Nc ya no vale siempre 5.7 sino que varia con la relación D/B en que D es la profundidad de entrada del cimiento en el suelo resistente y B es el ancho del mismo elemento.La expresión a la que se llega finalmente al desarrollar la teoría de meyerhof es:

qc =c NC +P oNq+ 12 γBNγ

5. COMO SE CALCULA LA CAPACIDAD DE CARGADE UNA SECCION CIRCULAR EXCENTRICA.

Si se considera una zapata circular (figura 5.61) de diametro A, los esfuerzos a los que se ve sometida son: compresion N aplicada en el punto A y momento flector M = N x e. Las excentricidades ex y ey respecto a los ejes OY y OX; equivalen a una excentricidad “e” respecto a los ejes OX’ y OY’ de valor:

Admitiendose una distribucion de tensiones planas, la tension en un punto cualquiera de coordenadas x’ e y’ es:

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En cualquier punto del cimiento la tension es de compresion siempre que sea positiva (σ > 0). La tension menor corresponde al punto C, mas alejado de la circunferencia y situado en y’. La tension maxima corresponde al punto B.

Se tiene que verificar:

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De donde se deduce:

El diámetro de la planta debe tener un valor mínimo de ocho veces la excentricidad y el punto de aplicación debe estar en el perímetro, o en el interior de una circunferencia concéntrica con la que conforma el borde de la zapata y de diámetro A/4. Admitiendo al igual que en el caso de zapata rectangular [5.75] que:

Se presenta el abaco de calculo de la figura 5.62, que relaciona N/qadm y el diametro de lazapata para los valores de λ comprendidos entre 0 y 1/8.Para el calculo de los esfuerzos de la zapata se supone que la presion de contacto es constantey que la resistencia de calculo es igual a la tensión existente en el terreno en el punto de coordenadas (0, A/4), es decir:

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6. INVESTIGAR LA CAPACIDAD DE CARGA DE UNA CIMENTACION INCLINADAPara el cálculo de la capacidad de carga en una cimentación inclinada y centrada, el calculo se lo debe realizar asumiendo como que el valor de la carga esta plicada verticalmente y luego corregirse con un valor Ri mostrado en la figura 20.9 a, b, c y d propuesta por G.G. Meyerhof y por la área.La determinación de la capacidad de carga para cimentaciones desplantadas en terrenos inclinados puede hacerse con las siguientes formulas:

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7. DESCRIBA EL ENSAYO DE PLACA DE CARGA

Este ensayo se encuentra estandarizado por la ASTM D1194-93, estima los parámetros de resistencia como ser su capacidad portante y coeficiente de balasto de los suelos en que resulta difícil el proceso de muestrear y ensayar de una manera representativa. Estos suelos comprenden esencialmente a suelos granulares y rocas fracturadas, este método es muy usado en el diseño de fundaciones. Para la realización del ensayo se requieren los instrumentos detallados a continuación:

Plataforma de carga.- De suficiente tamaño y resistencia para soportar la carga total requerida para el ensayo.Gato hidráulico o mecánico.-. Cuya capacidad no sea menor a 50 toneladas (480 KN) para proveer y mantener la carga aplicada, y con un medidor de la presión para leer la fuerza ejercida por el gato.

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Placas de carga.- Se requiere una placa de carga circular de acero, de espesor no menor a 25 mm, variando en diámetro desde 150 a 762 mm, incluyendo el mínimo y máximo diámetro especificado de placas. Puede usarse también placas cuadradas de equivalente área (305x305 mm).

El control de asentamiento se realiza con deformímetros ubicados cerca las placas de ensayo, capaces de medir asentamientos de las placas con una precisión mínima de 0.25 mm.

Se requiere además diversos elementos que incluyen columnas de carga y complementos de acero, para transmitir la carga a las placas, además de una viga de referencia que sirva como apoyo estable a los deformímetros para medir los asentamientos.

El montaje del ensayo puede variar, dependiendo de las condiciones de trabajo, requerimientos del ensayo y del equipo disponible. Puede permitirse considerable libertad en detalles dependiendo de los requerimientos específicos mencionados arriba y resaltados en el siguiente procedimiento de ensayo. Un típico montaje para la conducción del ensayo de carga es ilustrado en la figura [1.3].

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El procedimiento de ensayo se detalla en la norma ASTM- D1194, cuyo resumen con las características más importantes se mencionan a continuación:

Iniciar el ensayo con la selección de áreas representativas para pruebas de carga, sobre la base de resultados de perforaciones de exploración, y sobre los requerimientos dediseño de la estructura. Realizar el ensayo de carga a la profundidad de las zapatas propuestas y bajo las mismas condiciones a las cuales las zapatas estarán sujetas.Por lo menos tres lugares de ensayo son requeridos, y la distancia entre estos no debe ser menor que cinco veces el diámetro de la placa más grande usada en la prueba.Nivelar y limpiar cuidadosamente removiendo el material suelto existente en el área a ser cargada por la placa, tal que las cargas sean transmitidas en la totalidad del área de contacto, sobre suelo intacto.Soportar la plataforma de carga por apoyos adecuados, en puntos alejados del área de ensayo, preferentemente mayor a 2.4 m. La carga total requerida para el ensayo deberá estar disponible en el sitio, antes de iniciar el ensayo.Se deberá colocar la viga de referencia sobre terreno firme y alejado del ensayo para montar sobre ella los deformímetros que medirán los asentamientos.Aplicar la carga al suelo en incrementos acumulativos iguales, no mayores que 95 kPa, o no más de una décima parte de la capacidad portante estimada del área a ser ensayada.Medir cada carga con precisión y aplicarla de tal manera que la totalidad de su magnitud alcance el suelo como una carga estática, sin impacto y sin excentricidades.Después de la aplicación de cada incremento de carga, mantenerla por un intervalo de tiempo seleccionado no menor a 15 minutos.

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Realizar lecturas de asentamiento tan pronto como sea posible antes y después de la aplicación de cada incremento de carga, y en intervalos de tiempo iguales; no se hará menos de 6 lecturas de asentamiento entre las diferentes aplicaciones.Continuar cada ensayo hasta que la carga máxima que se programó sea alcanzada o hasta que la razón entre incrementos de carga e incrementos de asentamiento alcance un mínimo, en magnitud absoluta. Si se dispone de suficiente carga, continuar el ensayo hasta que el asentamiento total alcance por lo menos el 10% del diámetro de la placa, a menos que una falla bien definida sea observada. Una vez completadas las observaciones para el último incremento de carga liberarla poco a poco en tres descargas aproximadamente iguales.Continuar leyendo las deflexiones hasta el cese de las mismas.Como resultado de este ensayo se obtiene una línea con cada uno de los puntos que los definen las cargas aplicadas con sus respectivos asentamientos máximos, una gráfica carga- deformación se muestra en la figura [1.4].

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8. COMO SE DETERMINA LA CAPACIDAD DE CARGA A TRAVEZ DE ENSAYOS SPT.

Este ensayo se encuentra estandarizado por la ASTM D-1586, es uno de los másutilizados y económicos para la exploración del subsuelo. Su objetivo es obtener muestras representativas del suelo para fines de identificación y ejecución de ensayos de laboratorio, además de medir la resistencia a la penetración de la cuchara normal de muestreo. Su utilización no se limita a suelos granulares, ya que el ensayo también puede ejecutarse enarcillas y rocas suaves. Es una de las pruebas de campo realizada, como un indicador del comportamiento del suelo, la resistencia del terreno y su deformabilidad o asentamiento.

El resumen de su procedimiento es el siguiente:

Se hace una perforación de 60 a 200 mm. de diámetro hasta la profundidad de exploración del primer ensayo.

Luego insertar la cuchara muestreadora del SPT. (Su forma y dimensiones se detallan en la figura [1.1]). Esta cuchara se encuentra conectada por tubos de acero al martillo de 63.5 Kg., como se muestra en la figura [1.2].

Se realizan sucesivos golpes con el martillo desde una distancia de 760 mm, el martillo puede ser elevado manualmente a través de una cuerda unida a un sistema de poleas o con un mecanismo automático. Se repite este proceso hasta que la cuchara penetre 450 mm.

Registrar el número de golpes requeridos para introducir cada intervalo de 150 mm. El ensayo deberá detenerse si más de 50 golpes son requeridos para cada intervalo de 150 mm, si luego de 10 golpes no se registra avance o si se alcanza la profundidad previa estipulada.

Calcular el número de golpes N necesarios para penetrar los últimos 300 mm. de la cuchara. No se tomará en cuenta el número de golpes requeridos para penetrar los primeros 150 mm. por la posibilidad de que en el fondo del sondeo exista suelo disturbado debido a los procesos de perforación.

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El valor del número de golpes N, que se obtuvo en campo, debe ser corregido a 70 N ′ mediante la siguiente ecuación.

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Sin embargo su uso no se limita a suelos granulares también puede ejecutarse enarcillas y rocas suaves. Es muy útil para obtener el perfil del suelo y en base de las muestras obtenidas clasificar al suelo. En la tabla [1.2] se presenta la correlación aproximada entre la consistencia del suelo y 60 N ′ del SPT.

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La ejecución de este ensayo puede ser aprovechada para la obtención de muestras inalteradas de suelo, por medio de sustitución de la cuchara de muestreo por un tubo Shelby (tubo de pared delgada). Esta muestra en laboratorio puede ser utilizada para ensayos triaxiales y de corte directo.

9. DESCRIBA UN METODO PARA DETERNIMAR LA CAPACIDAD DE CARGA PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS

Primeramente podríamos dar una pequeña introducción acerca las cimentaciones profundas:

Técnica antigua para cimentar en suelo blando

Diseño basado en experiencia o divina providencia

Inicialmente hincado de madera, luego de concreto hincado y vaciado in-situ, luego de acero

Desarrollo de fórmulas de hinca

Desarrollo de ensayos de carga

Cálculo de capacidad portante y asentamiento

Cálculo del efecto de grupo

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Criterio del ingeniero

Tenemos dos casos para el calculo de la capacidad de carga en cimentaciones profundas o pilotes:

CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA DE UN PILOTE EN SUELO COHESIVO

Resistencia por Fricción Lateral :

Qu = Qs + QbQs= α c As

Donde:

As = área superficial lateral empotrada del pilote.c = resistencia cortante no-drenada promedio de la arcilla a lo largo de los lados del pilote.

α = factor de adhesión

Resistencia por Punta :

Qb = c Nc Ab

Donde:

c = resistencia cortante inalterada del pilote.Ab = área de la base del pilote

Nc = factor de capacidad de carga de Meyerhof, generalmente se toma 9.

FACTORES DE ADHESION PARA PILOTES EXCAVADOS (TOMLINSON)

Se usa un factor de adhesión α de 0.45 para pilotes excavados en muchas arcillas aunque para pilotes cortos en arcilla muy fisurada, un valor de 0.3 es más usual. Se

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han reportado valores de 0.49 a 0.52 para arcillas de California. Para arcillas duras α puede ser tan bajo como 0.1. Tomlinson recomienda utilizar un valor de 0.45 si no se tiene experiencia previa con la arcilla, hasta un valor máximo de 100 KN/m2. Esto puede ser conservador para arcillas blandas y optimista para arcillas muy rígidas y fisuradas.

FACTOR DE ADHESION PARA PILOTES HINCADOS (NORDLUND)

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CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA DE UN PILOTE EN SUELO GRANULAR

Qu = Qs + Qb

f = Ks pd tgδ

DONDE

Ks = coeficiente lateral de tierra, la relación de la presión lateral a vertical en los lados del pilote.pd = esfuerzo efectivo vertical a la profundidad z.

δ = ángulo de fricción entre el pilote y el suelo.

Resistencia por Fricción Lateral :

Qs = ½* Ks γ (Z1 + Z2) tgδ As

Resistencia por Punta :

Qb = pb (Nq - 1) Ab

DONDE:

pb = esfuerzo efectivo de sobrecarga en la base del pilote. Ab = área de la base del pilote.

VALORES DE KS Y δ PARA PILOTES HINCADOS

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CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE DE UN PILOTE

Qadm=Q S+Qb2.5

Y

Qadm=Q s

1.5+Qb3.0

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DONDE:

Qadm = Capacidad de carga admisible

Qs = Carga última por fricción del pilote

Qb = Carga última por punta del pilote

10. COMO SE CALCULA LA CAPACIDAD DE CARGA DE DOS ESTRATOS ARCILLOSOS.

Existen dos casos :

Caso I: Estrato superior más blando que el inferior

La rotura se produce por extrusión lateral del suelo blando bajo la cimentación.

Considerando condiciones de carga sin drenaje (Ø = 0) la presión de hundimiento puede expresarse por:

Siendo c1 la cohesión sin drenaje de la capa superior y Nm un coeficiente de capacidad portante modificado que según Vesié (1970) tiene los valores del Cuadro 2.4.

Caso II: Estrato superior más resistente que el inferior En este caso la rotura se produce por punzonamiento del estrato superior. Brown y Meyerhof (1969) sugieren tomar

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Figura 2.10 Zapata sobre dos estratos.

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