Mecanica de Suelos II Investigacion

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Carrera profesional de ingeniería civil

INTRODUCCION

Una cimentación adecuadamente diseñada es la que transfiere la carga a través del

suelo sin sobre esforzar a éste. Sobre esforzar al suelo conduce a un asentamiento

excesivo o bien a una falla cortante del suelo, provocando daños a la estructura. Por

esto, los ingenieros geotecnias y estructuritas que diseñan cimentaciones deben

evaluar la capacidad de carga de los suelos.

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 de carga, el tamaño de las zapatas

requeridas es grande y poco práctico. 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.

MECANICA DE SUELOS II

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OBJETIVO

El terreno al recibir cargas que son transmitidas por la cimentación tiende a

deformarse en una o varias de sus capas dependiendo de la compresión y las

propiedades del mismo, las cuales pueden variar con el tiempo o con algunos factores

como lo son el tiempo o la variación de volumen de vacíos como consecuencia de la

compactación de terreno, el desplazamiento y deformación de las partículas al irse

acumulando estas, lo cual producen asentamientos en la superficie de contacto entre

la cimentación y el terreno.

Los cimientos juegan un papel muy importante dentro de la cimentación ya que

estos distribuyen las cargas de la estructura hacia el suelo, de tal manera que

el suelo y los materiales que lo constituyen tengan una capacidad suficiente de

soportarlas sin sufrir deformaciones excesivas.

Dependiendo de la interacción del suelo y la cimentación, las características de

esta cambiaran en cuanto a su tipo, forma, tamaño, costo, etc., de aquí se

concluye que, si se quiere una construcción segura y económica, se daban

tener conocimientos de mecánica de suelos y de diseño de cimentaciones


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CIMENTACIONES SUPERFICIALES

1. IMPORTANCIA

Según (Diez Milagros, Navarro Jack) El comportamiento del terreno bajo tensión está

afectado por su densidad y por las proporciones de agua y aire residentes en los

vacíos. Estas propiedades varían con el tiempo y depende en cierto modo de otros

factores. Para comportarse de modo aceptable las cimentaciones superficiales deben

tener dos características elementales:

La cimentación debe ser segura frente a una falla por corte general del suelo

que la soporta.

La cimentación no deber experimentar un asentamiento excesivo (el adjetivo

excesivo depende de varias consideraciones, como las estructurales propias

de la edificación)

Las cimentaciones superficiales aquellas zapatas aisladas conectadas y combinadas

así como también cimientos corridos y plateas de cimentación.

PROFUNDIDAD DE CIMENTACION

Es la distancia desde el nivel de la superficie del terreno a la base de la cimentación.

La profundidad de cimentación quedara definida por el PR y estará condicionada a

cambios de volumen por humedecimiento-secado, hielo – deshielo y otras

condiciones particulares. (NORMA E050)

Las plateas de cimentación deben ser losas rígidas de concreto armado con acero en

dos direcciones y llevar una viga perimetral.


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Si para una estructura se plantea varias profundidades de cimentación

deben determinarse la carga admisible el asentamiento diferencial para

cada caso.

Cuando la cimentación queda por debajo de la cimentación es existente el PR deberá

analizar el requerimiento de alcanzar la cimentación vecina según lo indicado en los

artículos.

Las cimentaciones no deben estar sobre turba del orgánico y perjudicial para estas

estos materiales deben ser removidos en su totalidad antes de construir la edificación.

Cimentación sobre rellenos

los rellenos son depósitos que se diferencian por su naturaleza y por las condiciones

bajo las que son colocados.

1- Materiales seleccionados: partículas no mayores de 7.5 (3”), con 30% o menos

de material retenido en la malla ¾

2- materiales no seleccionados: todo aquel que no cumpla con la condición

anterior.

Rellenos controlados o de ingeniería

Son aquellos con los que se construye material seleccionado teniendo condiciones de

apoyo que las cimentaciones superficiales los métodos para la conformación

compuesta se encontraron dependen de: si el material deberá ser compactado de la

siguiente manera (NORMA E050)

1- si tiene más de 12% de finos deberá compactarse 1 densidad mayor igual el

90%


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2- si tiene igual o menos de 2% de finos deberá compactarse 1

densidad no menos del 95%

En todos los casos es siempre importante realizar controles de compactación en

todas las capas compactadas y se deberá realizar por cualquiera de los siguientes

métodos.

1- ensayo de penetración estándar NTP por cada metro de espesor de relleno

controlado.

2- Ensayo de cono de arena NTP 339.143 o por medio de métodos nucleares.

Rellenos no controlados

las cimentaciones superficiales no podrán ser construidos sobre estos los cuales

deberán ser reemplazados en su totalidad por materiales seleccionados debidamente

y compactados. (NORMA E050)

TEORIAS DE CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS

LA CAPACIDAD DE CARGA (según el libro de Juares badillo)

Suelos puramente “cohesivos” (cy^O; <j> = 0)

Suelos puramente “friccionantes” (c = 0; <j> ^ 0).

Algunas de las teorías más usadas hoy se presentarán, sin embargo, para el caso

más amplio de suelos con "cohesión” y “fricción”.


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CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA DE CIMENTACIONES

SUPERFICIALES

Conceptos generales

Según (Vesic, 1963).Consideremos una franja de cimentación (es decir, una cuya

longitud es teóricamente infinita) descansando sobre la superficie de una arena densa

o de un suelo cohesivo firme, como muestra la figura 11.2a, con un ancho B. Ahora, si

la carga es aplicada gradualmente a la cimentación, el asentamiento aumentará.

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

compactación media (figura l1.2b), un incremento de la carga sobre la cimentación

también estará acompañado por un aumento del asentamiento.

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

asentamiento será como la de la figura 11.2c. 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.

(Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985) figura 11.2)


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(Nota: L es siempre mayor que B.)Para cimentaciones cuadradas, B =

L; para cimentaciones circulares, B = L = diámetro. Entonces

B* = B

Fuente

fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985) figura 11,3

CRITERIOS DE DEISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES

ESFUERZOS PERMISIBLE TRANSMITIDO

Según (Ing. Jorge Alva Hurtado) Es la presión máxima que no causa daño estructural

en condiciones diferentes en el suelo es decir que no ocurra asentamiento los errores

se atribuyen a la mala clasificación del suelo. En muchos casos se verifica con

ensayos de carga.

FACTOR DE SEGURIDAD CONTRA FALLA POR CAPACIDAD PORTANTE.

El factor de falla de 2-4 no solo debe reflejar la incertidumbre de falla sino también la

observación de la teoría y práctica que el asentamiento no es excesivo.

MOVIMIENTOS PERMISIBLES


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Existen varios movimientos que pueden ser tolerados por la estructura y

deben ser permisibles entonces es necesario calcular el asentamiento

permisible.

CRITERIOS DE DISEÑO

Asentamiento uniforme

Inclinación

Asentamiento no uniforme

RELACION DE ASENTAMIENTO Y DAÑO

El asentamiento máximo permisible por las normas es de 1 pulgada usualmete

especificada para zapatas

TEORÍA DE LA CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA

Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad

última de carga de cimentaciones superficiales, la cual dice que una cimentación es

superficial si la profundidad de la cimentación es menor que o igual al ancho de la

misma. Sin embargo, investigadores posteriores han sugerido que cimentaciones con

de igual a 3 o 4 veces el ancho de la cimentación se definen como cimentaciones

superficiales.


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Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985)

figura 11.4

Los ángulos CAD y ACD se suponen iguales al ángulo de fricción del suelo. Note que

al reemplazar el suelo arriba del fondo de la cimentación por una sobrecarga

equivalente q, la resistencia cortante del suelo a lo largo de las superficies de falla GI

y HJ fue despreciada.

Usando el análisis del equilibrio, Terzaghi expresó la capacidad última de carga en la

forma

Con base en estudios de laboratorio y campo de la capacidad de carga, la naturaleza

básica de la superficie de falla en suelos sugerida por Terzaghi parece ahora ser

correcta (Vesic, 1973).

MODIFICACIÓN DE LAS ECUACIONES PARA LA CAPACIDAD DE CARGA POR

LA POSICIÓN DEL NIVEL DEL AGUA

Meyerhof (1963) La expresión para la capacidad de carga última presentada en la

ecuación (11.3) es sólo para una cimentación continua y no se aplica en el caso de

cimentaciones rectangulares.

Además, la ecuación no toma en cuenta la resistencia cortante a lo largo de la

superficie de falla en el suelo arriba del fondo de la cimentación sugirió la siguiente

forma para la ecuación de capacidad general de carga:


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Las relaciones para los factores de forma, factores de profundidad y factores de

inclinación recomendados para usarse, son de la tabla anterior. fue desarrollada para

determinar la capacidad última de carga con base en la suposición de que el nivel del

agua está localizado debajo de la cimentación.

Sin embargo, si el nivel está cerca de la cimentación, son necesarias algunas

modificaciones en la ecuación de la capacidad de carga, dependiendo de la

localización del nivel del agua

Caso 1: Si el nivel del agua se localiza de modo que O>DI<D. el factor que en las

ecuaciones de capacidad de carga toma la forma

Caso II: Para un nivel de agua localizada de modo que O<d<B.

Caso III: Cuando el nivel está localizado de modo que d >B, el agua no tendrá efecto

sobre la capacidad de carga última.


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EL FACTOR DE SEGURIDAD

El cálculo de la capacidad de carga admisible total en cimentaciones superficiales

requiere la aplicación de un factor de seguridad (FS) a la capacidad de carga total

última Sin embargo, algunos ingenieros en la práctica prefieren usar un factor de

seguridad de incremento del esfuerzo neto sobre el suelo = capacidad de carga última

neta/FS. La capacidad de carga última neta se definió en la ecuación

Sustituyendo esta ecuación en la (11.13) se obtiene incremento

del esfuerzo neto sobre el suelo = carga por la superestructura por área unitaria de la

cimentación

CIMENTACIONES CARGADAS EXCÉNTRICAMENTE

Hay varias situaciones en que las cimentaciones son sometidas a momentos además

de la carga vertical, por ejemplo, en la base de un muro de retención, como muestra

la figura. En tales casos, la distribución de la presión por la cimentación sobre el suelo

no es uniforme.


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El factor de seguridad para este tipo de carga contra la falla por

capacidad de carga se evalúa usando el procedimiento sugerido por

Meyerhof (1953), denominado método del área efectiva. El siguiente es el

procedimiento paso a paso de Meyerhof para de Cimentaciones superficiales.

Capacidad de carga y asentamientos del suelo.

Fuente fundamentos de la Ingeniería Geotécnica Brahan M. Das (1985) figura 11.7

1. Muestra un sistema de fuerzas equivalente al mostrado en la distancia e es la

excentricidad

Y

Lo que implica que se tendrán tensiones. Como el suelo no puede tomar tensiones,

habrá una separación entre la cimentación y el suelo debajo de ella. La naturaleza de

la distribución de presiones sobre el suelo

2. Determine las dimensiones efectivas de la cimentación como

B' = ancho efectivo = B - 2e


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L I = longitud efectiva = L

3. Use la ecuación (11.7) para la capacidad de carga última como

4. La carga última total que la cimentación soporta es

5. El factor de seguridad contra falla por capacidad de carga es

CIMENTACIONES CON EXCENTRICIDAD EN DOS DIRECCIONES

(Highter y Anders, 1985) Considere una situación en que una cimentación es

sometida a una carga vertical última y a un momento M, como se muestra


Como antes, para evaluar usamos la longitud efectiva (L ' y el ancho efectivo (B') en

vez de L y B, respectivamente. Para calcular Fcd, Fqd Y Fd · usamos la tabla 11.2; sin

embargo, no reemplazamos B por B'. Al determinar el área efectiva (A'), el ancho

efectivo (B' ), y la longitud efectiva (L'), cuatro casos posibles.


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La longitud efectiva es:


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L' = L



Se muestra el área efectiva para este caso. La razón B/B y por tanto B2 se

determinan usando las curvas eL/L que se inclinan hacia arriba. Similarmente, la

razón L/L por tanto, L 2 se determinan usando las curvas eL/L que se inclinan hacia

abajo. El área efectiva es entonces

TIPOS DE ASENTAMIENTOS DE CIMENTACIONES


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El asentamiento de una cimentación consta de un asentamiento

inmediato (o elástico), Se, Y un asentamiento por consolidación, Se. El

procedimiento para calcular el asentamiento por consolidación de cimentaciones

también se explicó. Los métodos para estimar el asentamiento inmediato serán

elaborados en las siguientes secciones. Debido al asentamiento elástico. Sin

embargo, si la cimentación es rígida y está descansando sobre un material elástico

como arcilla, sufrirá un asentamiento uniforme y la presión de contacto se redistribuirá

ASENTAMIENTO INMEDIATO

De acuerdo con Harr (1966), Se muestra una cimentación superficial sometida a una

fuerza neta por área unitaria igual a qo. Sean la relación de Poisson y el módulo de

elasticidad del suelo soportante respectivamente. Teóricamente, si D = 0, H = 00, y la

cimentación es perfectamente flexible, el asentamiento se expresa como.


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Muestra también los valores de a qrom para varias razones L/B de la cimentación.


Sin embargo, si la cimentación mostrada en la figura es rígida, el asentamiento

inmediato será diferente y se expresa como

Las ecuaciones anteriores para el asentamiento inmediato se obtuvieron integrando la

deformación unitaria a varias profundidades debajo las cimentaciones para límites de

z = O a z = oo. Si un estrato incompresible de roca está localizado a una profundidad

limitada, el asentamiento real puede ser menor que el calculado con las ecuaciones

anteriores.

ASENTAMIENTO INMEDIATO DE CIMENTACIONES SOBRE ARCILLAS

SATURADAS


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Janbu y otros (1956) propusieron una ecuación para evaluar el

asentamiento promedio de cimentaciones flexibles sobre suelos de

arcilla saturada (relación de Poisson, I1-s = 0.5).

Donde Al es una función de H/B y L/B, Y Az es una función de D¡/B. Christian y

Carrier (1978) modificaron los valores de Al y Az Y los presentaron en forma gráfica.

Los valores interpolados de Al y Az de esas gráficas se dan en las tablas


RANGO DE LOS PARÁMETROS DEL MATERIAL PARA CALCULAR EL

ASENTAMIENTO INMEDIATO

Mitchell y Gardner (1975) presentó las ecuaciones para calcular el asentamiento

inmediato de cimentaciones.


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Esas ecuaciones contienen los parámetros elásticos, Si no se dispone

de los resultados de pruebas de laboratorio para esos parámetros, deberán hacerse

ciertas suposiciones realistas para sus valores. La tabla 11.5 da el rango aproximado

de los parámetros elásticos para varios suelos.

Donde N F = número de penetración estándar. Similarmente,

Es = 2qc

Donde qc = resistencia por penetración de cono estática. El módulo de elasticidad de

arcillas normalmente consolidadas se estima como

Es = 250c a 500c

y para arcillas pre consolidadas como

Es = 750c a 1000c

Donde c = cohesión no drenada del suelo de arcilla.

PRESIÓN ADMISIBLE DE CARGA EN ARENA BASADA EN

CONSIDERACIONES DE ASENTAMIENTO

Meyerhof (1956) propuso una correlación para la presión de carga admisible neta

para cimentaciones con la resistencia por penetración estándar corregida, Neor" La

presión admisible neta se define como


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Desde que Meyerhof propuso su original correlación, los investigadores

han observado que sus resultados son algo conservadores. Después, Meyerhof

(1965) sugirió que la presión de carga admisible neta debería incrementarse

aproximadamente 50%. Bowles (1977) propuso que la forma modificada de las

ecuaciones de la presión de carga se expresarán como

Las relaciones empíricas presentadas hacen surgir algunas preguntas. Por ejemplo,

¿qué valor del número de penetración estándar debe usarse? ¿Cuál es el efecto del

nivel del agua freática sobre la capacidad de carga admisible neta? El valor de diseño

de N Cor debería determinarse tomando en cuenta los valores Ncor para una

profundidad de 2B a 3B, medida desde el fondo de la cimentación. Muchos ingenieros

también opinan que el valor

La idea básica detrás del desarrollo de esas correlaciones es que, si el asentamiento

máximo no es mayor de 25 mm para cualquier cimentación, el asentamiento

diferencial no será mayor de 19 mm. Estos son probablemente los límites admisibles

para la mayoría de los diseños de cimentaciones de edificios.

BIBLIOGRAFIA


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- Diseño de cimentaciones – Dr.Ing. Jorge E. Alva Hurtado( CAPITULO 3 “cimentación superficiales”)

- Mecánica de suelos, Tomo II: Teoría y aplicaciones de la mecánica de suelos – Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez ( CAPITULO VIII)

- Diez milagros, Navarro Jack (2008), Estudio Geotécnico con fines de cimentación y pavimentación y zonas explanación y urbana.

- Norma E.050 – CAPITULO IV – Cimentación superficial


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