112205117 B Cimentaciones Superficiales

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Ing. Flavio Ortiz Salas

INTRODUCCIÓN De acuerdo a la norma peruana E.050 Las cimentaciones superficiales son aquellas en las cuales la relación (Df/B) es menor que 5, Siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho de o diámetros de la misma.

Son cimentaciones superficiales las zapatas aisladas, conectadas y combinadas, las cimentaciones continuas y las plateas de cimentación

CRITERIO DE DISEÑO DE CIMENTACIONES Para el comportamiento satisfactorio, las cimentaciones superficiales deben tener dos factores fundamentales.

• La cimentación debe ser segura contra falla por corte general del suelo que lo soporta (capacidad de carga). • La cimentación no debe experimentar asentamiento excesivo (asentamiento permisible).

CAPACIDAD DE CARGA CIMENTACIONES SUPERFICIALES

CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA

La carga por área unitaria de la cimentación bajo el cual ocurre la falla por corte en el suelo se denomina capacidad de carga última.

RELACIÓN ENTRE PRESIONES DEL TERRENO Y CAPACIDAD DE CARGA

MECANISMOS DE FALLA

MECANISMOS DE FALLA – FORMAS TÍPICAS DE FALLA (VESIC 1973)

MECANISMOS DE FALLA - ASPECTOS PRÁCTICOS Para la mayoría de problemas prácticos de diseño, sólo es necesario chequear el caso por corte general y luego realizar los análisis por asentamiento para verificar que la zapata no se asentará excesivamente. Los análisis por asentamiento implícitamente protegen contra las fallas por corte local y por punzonamiento.

ECUACIÓN GENERAL DE LA CAPACIDAD DE CARGA DEL SUELO Terzaghi 1943

ECUACIONES PARA ESTIMAR LA CAPACIDAD DE CARGA DEL SUELO TERZAGHI 1943

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA - TERZAGHI TERZAGHI 1943

Relación entre el ángulo de fricción interna y los factores de carga

MODIFICACION DE CAPACIDAD DE CARGA DEBIDO A NIVEL FRATICO

MODIFICACION DE CAPACIDAD DE CARGA DEBIDO A NIVEL FRATICO

MODIFICACION DE CAPACIDAD DE CARGA DEBIDO A NIVEL FRATICO

ECUACIÓN GENERALIZADA DE CAPACIDAD DE CARGA – MEYERHOF 1963

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA – VESIC 1973 Vesic, sugiere que el ángulo a se aproxima más a tan(45°+f/2) que a f. Si se acepta el cambio, los factores de capacidad de carga quedan como sigue:

Reissner ,1924

Prandtl, 1921

Caquot y Kerisel, 1953 y Vesic, 1973

FACTORES DE FORMA – PROFUNDIDAD - INCLINACIÓN

 B  Nq  Fcs  1      L  Nc  B Fqs  1    tan f L B Fγ s  1 - 0.4  L

FACTORES DE PROFUNDIDAD SI Df

B

1

 Df  Fcd  1  0.4  B   Fqd  1  2 tan f 1  senf 

2

Df B

Fγ d  1 SI Df

B

1

 Df  Fcd  1  0.4tan -1    B  Fqd  1  2 tan f 1  senf 

2

Fγ d  1

 Df  tan   B   1

FACTORES DE INCLINACIÓN

β   Fci  1    90 

2

β   Fqi  1    90   β Fi  1    φ

2

2

FACTORES DE FORMA – PROFUNDIDAD - INCLINACIÓN Existen diferentes relaciones empíricas para tomar en cuenta los efectos de forma, profundidad e inclinación.

Bowles, 2006

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

Ecuación general de capacidad de carga

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE – MEYERHOF, 1953

CIMENTACIONES CON EXCENTRICIDAD EN DOS DIRECCIONES

CIMENTACIONES CON EXCENTRICIDAD EN DOS DIRECCIONES

EJEMPLOS DE APLICACION

• TENDRIA EL CASO CIMENTACION CON UNA EXCENTRICIDAD

• ESTAMOS EN EL CASO II

10/07/11 examen

FACTORES DE FORMA – VESIC 1973

CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE Meyerhof (1953): Considera la excentricidad de la carga reduciendo el ancho B. El ancho efectivo es B´= B -2.e, donde e es la excentricidad. Si existe excentricidad en ambos sentidos, en zapatas rectangulares, se disminuyen los dos lados según la excentricidad correspondiente (área efectiva).

B

M

e

y

Q P B M e= Q Ancho efectivo

Q

B´= B-2.e

Zapata continua

B´ M = B - 2ex P = L - 2ey L´

P

Area efectiva x

L e

e=

ey

L´

ex

B´ Zapata rectangular

CAPACIDAD DE CARGA – BRINCH HANSEN 1970 - ECUACIÓN GENERALIZADA

Brinch Hansen (1970): Considera la formulación general de Terzaghi y los factores de capacidad de Prandtl y Reissner

Nc = ctg f . (Nq - 1) Nq = tan2 (45°+ f/2. e p.tgf con:

N = 1,5. (Nq - 1). tg f

Plantea o asume otros factores de corrección para: forma, profundidad, inclinación de cargas o terreno, etc. Considera el concepto de área efectiva por excentricidad de carga (Meyerhof). Los factores correctivos son: c - forma (Vesic); d - profundidad; e i inclinación. Presentados en “Tablas y Ábacos”.

CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS ESTRATIFICADOS

SUELO MAS FUERTE SOBRE SUELO MÁS DÉBIL

Meyerhof y Hanna 1978 y Meyerhof 1974

CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES SOBRE UN TALUD

FACTOR DE CAPACIDAD DE CARGA PARA CIMENTACIONES SOBRE UN TALUD

SUELOS GRANULARES – FACTOR Nd

FACTOR DE CAPACIDAD DE CARGA PARA CIMENTACIONES SOBRE UN TALUD

SUELOS PURAMENTE COHESIVOS - FACTOR Nc

ASENTAMIENTOS CIMENTACIONES SUPERFICIALES

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES TIPOS DE ASENTAMIENTOS

(a) Asentamiento uniforme (b) Asentamiento por volteo (c ) Asentamiento no uniforme

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES - SEGÚN LA NORMA E.050

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES – SEGÚN DIFERENTES AUTORES

ASENTAMIENTOS PERMISIBLES – SEGÚN DIFERENTES AUTORES

ASENTAMIENTOS EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES Al aplicar una carga (Q) sobre una fundación se produce un determinado

asentamiento de la misma (ST).

ST = Si + St

donde

St = Scp + Scs

Siendo:

Si

(causa principal en suelos granulares y, para arcillas, por distorsión a volumen constante condición no-drenada) Asentamiento

instantáneo

St = Scp + Scs

Asentamiento diferido en el tiempo (reducción de volumen con el tiempo - importante en arcillas):

Scp

- por consolidación primaria - expulsión de agua de los poros

causada por un exceso de presión neutra.

Scs

- por consolidación secundaria - deformación a tensión efectiva

constante (creep y/o fluencia).

MÉTODOS DE CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS

Asentamiento total ST = Si + Scp +Scs Si = Asentamiento inmediato Scp = Asentamiento por consolidación primaria Scs = Asentamiento por consolidación secundaria

En arenas gravas y arcillas duras y suelos no saturados en general ST = Si En arcillas saturadas: ST = Scp En suelos de gran deformabilidad como turbas y otros: ST = Scp + Scs

ASENTAMIENTOS ELÁSTICOS INMEDIATOS

Donde: Si = Asentamiento inmediato probable (cm) u = Relación de Poisson Es = Módulo de elasticidad (Ton/m2) If = Factor de forma (cm/m) q = Carga de trabajo(Tn/m2) B = Ancho de la cimentación (m)

ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN – Índice de compresibilidad CC

Cálculo del índice de compresibilidad

Donde: Cc = Índice de compresibilidad e1,e2 = Índices de vacíos final para los esfuerzos p1 y p2 respectivamente

ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN – OTRAS APROXIMACIONES DE Cc Terzaghi 1967, sugirió la relación: Cc = 0.009*(LL-10) , donde LL=Límite líquido

Además de la curva e – log s´v. Existen otros autores que sugieren aproximar el índice de compresibilidad de acuerdo al siguiente cuadro:

CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN

CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN Para arcillas normalmente consolidadas

Para arcillas preconsolidadas Si: p0 + Dp < pc

Si: p0 < pc < p0 + Dp

CIMENTACIONES SOBRE SUELOS DIFÍCILES CIMENTACIONES SUPERFICIALES

SUELOS COLAPSABLES Son suelos no saturados que sufren un gran cambio de volumen al saturarse. Este cambio puede o no ser el resultado de la aplicación de carga adicional. El potencial de colapso se determina a partir del ensayo de consolidación sobre un espécimen con su contenido de humedad natural. La mayoría de los suelos colapsables que se presentan en estado natural son: depósitos eólicos, depósitos de polvo volcánico (altas relaciones de vacíos), loess (con tamaños de limos), suelos con presencia de precipitados químicos lixiviados por el agua. Variación de la relación de vacíos con la presión para un suelo colapsable

SUELOS COLAPSABLES – DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE COLAPSO Son suelos no saturados que sufren un gran cambio de volumen al saturarse. Este cambio puede o no ser el resultado de la aplicación de carga adicional. El potencial de colapso se determina a partir del ensayo de consolidación sobre un espécimen con su contenido de humedad natural.

Relación del potencial de colapso a la severidad de los problemas de cimentación

SUELOS COLAPSABLES – DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE COLAPSO

CRITERIOS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE SUELOS COLAPSABLES

Criterios reportados para la identificación de suelos colapsables. Tomado de Bowles 2006

SUELOS EXPANSIBLES Muchas arcillas se expanden considerablemente cuando se agrega agua y luego se contraen con la pérdida de ésta. Las cimentaciones construidas sobre estas están sometidas a grandes fuerzas de levantamiento causadas por la expansión. Esta fuerzas ocasionan levantamiento, agrietamiento y ruptura de la cimentación. La profundidad en un suelo a la que ocurren cambios periódicos de humedad se llama zona activa (ver figura). La profundidad de esta zona varia dependiendo del lugar. La misma que se determina fácilmente graficando el índice de liquidez (IL) versus la profundidad del perfil del suelo a lo largo de varias estaciones .

SUELOS EXPANSIBLES – MEDICIÓN EN LABORATORIO PRUEBA DE EXPANSION NO RESTRINGIDA

Carta de correlación de la expansión libre, límite líquido y contenido de agua natural (Según Vijyvegiya y Ghazzaly, 1973 O’Neill y Poormoayed, 1980 desarrollaron la siguiente relación para calcular la expansión libre.

SUELOS EXPANSIBLES – MEDICIÓN EN LABORATORIO PRUEBA DE LA PRESIÓN DE EXPANSIÓN

SUELOS EXPANSIBLES – MEDICIÓN EN LABORATORIO PRUEBA DE INDICE MODIFICADO DE EXPANSIÓN LIBRE

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL Ejemplo: Suelo homogéneo limo arenoso poco a medianamente compacto

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL

CAPACIDAD DE CARGA SUPERFICIAL

Evaluación del riesgo de agresividad del terreno

Evaluación del riesgo de agresividad del terreno EJEMPLO: ALGUNOS SUELOS LIMOSOS SALINOS – YESÍFEROS COMPACTOS Y CEMENTADOS Y CENIZAS VOLCÁNICAS COMPACTAS DE ILO - MOQUEGUA

Riesgos potenciales: Riesgo elevado de ataque al concreto y corrosión en el acero y pérdida de resistencia por lixiviación en caso de saturación.

EJERCICIOS Cimentación superficial

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Ing. Flavio Ortiz Salas