UNIVERSIDAD UNIVERSIDADNACIONAL NACIONAL“SAN “SANLUIS LUISGONZAGA” GONZAGA”DE DEICA ICA

FACULTAD FACULTADDE DEINGENIERÍA INGENIERÍACIVIL CIVIL

DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES

CAPACIDAD PORTANTE DE FUNDACIONES

Ing. Angel R. Huanca Borda

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.

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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

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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

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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 Estándar Es 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.

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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.

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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.

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

Preparación de los Registros Los 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

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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 Suelo Un 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 Adicional Adicionalmente 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

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NORMA TECNICA E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES CAPITULO 3

Análisis de las Condiciones de Cimentación

3.2 Asentamiento Tolerable En 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

l

∆ ρ = ρmáx − ρmín Distorsión angular =

(a)

(b)

∆ρ l

=

ρmín

ρmàx

δ

ρmàx

ρmín

ρ

l

∆ ρ = ρmáx − ρmín

δ

Distorsiónangular =

l

∆ρ δ = l l

(c)

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

ASENTAMIENTO ADMISIBLE

Tipo de movimiento Asentamiento total

Inclinación o giro

Factor limitativo Drenaje Acceso Probabilidad de asentamiento no uniforme Estructuras con muros de mampostería Estructuras reticulares Chimeneas, silos, placas Estabilidad frente al vuelco Inclinación de chimeneas, torres Rodadura de camiones, etc. Almacenamiento de mercancías Funcionamiento de máquinas-telares de algodón Funcionamiento de máquinas-turbogeneradores Carriles de grúas Drenaje de soleras

Asentamiento diferencial

Muros de ladrillo continuos y elevados Factoría de una planta, fisuración de muros de ladrillo Fisuración de revocos (yeso) Pórticos de concreto armado Pantallas de concreto armado Pórticos metálicos continuos Pórticos metálicos sencillos

Asentamiento máximo 6-12 plg. 12-24 plg. 1-2 plg. 2-4 plg. 3-12plg. Depende de la altura y el ancho 0.004 l 0.01 l 0.01 l 0.003 l 0.0002 l 0.003 l 0.01-0.02 l 0.0005-0.001 l 0.001-0.002 l 0.001 l 0.0025-0.004 l 0.003 l 0.002 l 0.005 l

Ref. (Sowers, 1962)

CRITERIO DE DAÑOS EN ESTRUCTURAS Distorsión angular δ / L

1 100

1 200

1 300

1 400

1 500

1 600

1 700

1 800

1 900

1 1000

Límite para el que son de temer dificultades en maquinaria sensible a los asentamientos. Límite de peligrosidad para pórticos arriostrados.

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

Límite para el que comienza el agrietamiento de paneles de tabique. Límite para el que son de esperar dificultades en grúas-puente. Límite para el que se hace visible lainclinación de edificios altos y rígidos

Agrietamiento considerable de tabiques y muros de ladrillo Límite de seguridad para muros de ladrillo flexibles h / l < 1/4 Límite correspondiente a daños estructurales en edificios Distorsión severa del pórtico

Ref. (Bjerrum, 1963)

ASENTAMIENTO DE ESTRUCTURAS CIMENTADAS SOBRE ARENA

10 Asentamiento diferencial máximo, (cm)

Distorsión máxima, (δ / l )

1 10,000 1 5,000 1 3,000

1 1,000 1 500

8

6 5 4

2

1 300 0 0

2

4

6

8

Asentamiento diferencial máximo, (cm) (a)

10

0

2

4

5

6

8

10

12

Asentamiento máximo, (cm) (b) (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 Admisible La 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 dentro de la zona activa de la cimentación d) Ubicación del nivel freático e) Probable modificación de las características físicomecánicas de los suelos, como consecuencia de los cambios en el contenido de humedad f) Asentamiento tolerable de la estructura

La 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 seguridad correspondiente (ver sección 3.3). b) La presión que cause el asentamiento admisible.

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Capacidad Portante de Suelos

(a) Falla por corte general (arena densa)

Capacidad Portante de Suelos Modos de Falla por Capacidad Portante en Zapatas (b) Falla por corte local (arena medio densa)

(c) Falla por punzamiento (arena muy suelta)

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.

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Falla general por corte:

1 qd = cN c + γD f N q + γ BN γ 2 Carga por unidad de área:

qds = 1.2cN c + γD f N q + 0.4 γ BN γ Franja cargada, ancho B Carga por unidad de área de cimentación Zapata cuadrada de ancho B

Capacidad Portante de Zapatas Corridas (L/B>5) – Corte General

qult

1 = cN c + γ B Nγ + q N q 2

Q

d B

Factores de capacidad de Carga para suelos Densos

 N c = cotg φ ( Nq − 1)   Nq = eπ tgφ tg 2 (45 + φ ) 2   Nγ = 2 tg φ ( Nq + 1)   (Caquot y Kerisel, 1953)

qult q = γd B

C, φ, γ suelo

Franja cargada, ancho B Carga por unidad de área de cimentación Zapata cuadrada de ancho B

Falla general por corte:

qd = cN c + γD f N q +

1 γ BN γ 2

Falla local por corte:

qd =

2 1 cN c′ + γD f N q′ + γ BN γ′ 3 2

Carga por unidad de área:

B Superficie aspera

qds = 1.2cN c + γD f N q + 0.4 γ BNγ

Df

Peso unitario de terreno = γ Resistencia al corte unitario S = C + P tan φ

40°

30° VALORES DE φ

N'q

Nq

N'γ

N'c

Nc

Nγ φ = 45°, Nγ = 240

20°

10°

0°

60

50

40

30

VALORES DE Nc y Nq

20

10 5.14

0 1.00

20

40

60

80

VALORES DE Nγ

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

Factores de Forma (Vesic, 1973)

q ult = S c cNc

1 + Sγ γ B Nγ 2 φo

Forma

+ Sq q Nq

Sc 1 + ( Nq / Nc) ( B / L)

RECTANGULAR

0 30 45

0 30 45

1-0.4 (B/L)

Sq 1 + tg φ (B/L) 1.00 1 + 0.58 (B/L)

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

1 + ( Nq / Nc) CIRCULAR O CUADRADA

Sγ

1 + 1.00 (B/L) 0.60

1 + tg φ

1.20

1.00

1.61 2.01

1.58 2.01

Carga Excéntrica e Inclinada (Meyerhof, 1953) B Q

Qv ∝ e

(qv ) ult =

2e 2 2e Qv ∝ 1 ∝ ) (1 − ) 2 γ BNγ + (1− ) (1 − ) 2 qNq = (1 − 90 B B B φ 2

φ

Nc

Nq

Nγ

Nq/Nc

tg φ

0

5.14

1.00

0.00

0.20

0.00

1 2 3 4 5

5.35 5.63 5.90 6.19 6.49

1.09 1.20 1.31 1.43 1.57

0.07 0.15 0.24 0.34 0.45

0.20 0.21 0.22 0.23 0.24

0.02 0.03 0.05 0.07 0.09

6 7 8 9 10

6.81 7.16 7.53 7.92 8.35

1.72 1.88 2.06 2.25 2.47

0.57 0.71 0.86 1.03 1.22

0.25 0.26 0.27 0.28 0.30

0.11 0.12 0.14 0.16 0.18

11 12 13 14 15

8.80 9.28 9.81 10.37 10.98

2.71 2.97 3.26 3.59 3.94

1.44 1.69 1.97 2.29 2.65

0.31 0.32 0.33 0.35 0.36

0.19 0.21 0.23 0.25 0.27

16 17 18 19 20

11.63 12.34 13.10 13.93 14.83

4.34 4.77 5.26 5.80 6.40

3.06 3.53 4.07 4.68 5.39

0.37 0.39 0.40 0.42 0.43

0.29 0.31 0.32 0.34 0.36

21 22 23 24 25

15.82 16.88 18.05 19.32 20.72

7.07 7.82 8.66 9.60 10.66

6.20 7.13 8.20 9.44 10.88

0.45 0.46 0.48 0.50 0.51

0.38 0.40 0.42 0.45 0.47

26 27 28 29 30

22.25 23.94 25.80 27.86 30.14

11.85 13.20 14.72 16.44 18.40

12.54 14.47 16.72 19.34 22.40

0.53 0.55 0.57 0.59 0.61

0.49 0.51 0.53 0.55 0.58

31 32 33 34 35

32.67 35.49 38.64 42.16 46.12

20.63 23.18 26.09 29.44 33.30

25.99 30.22 35.19 41.06 48.03

0.63 0.65 0.68 0.70 0.72

0.60 0.62 0.65 0.67 0.70

36 37 38 39 40

50.59 55.63 61.35 67.87 75.31

37.75 42.92 48.93 55.96 64.20

56.31 66.19 78.03 92.25 109.41

0.75 0.77 0.80 0.82 0.85

0.73 0.75 0.78 0.81 0.84

41 42 43 44 45

83.86 93.71 105.11 118.37 133.88

73.90 85.38 99.02 115.31 134.88

130.22 155.55 186.54 224.64 271.76

0.88 0.91 0.94 0.97 1.01

0.87 0.90 0.93 0.97 1.00

46 47 48 49 50

152.10 173.64 199.26 229.93 266.89

158.51 187.21 222.31 265.51 319.07

330.35 403.67 496.01 613.16 762.89

1.04 1.08 1.12 1.15 1.20

1.04 1.07 1.11 1.15 1.19

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA

(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 φ corregido. φ = arc Tan (2/3 tan φ) Tendriamos:

2 1 qd = cN c′ + γD f N q′ + γ BN γ′ 3 2

B)

PRESION 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.

M edia

C om pacta

140

M uy com pacta

0 10

130 N

y Nq

110

30

Factores de capacidad de carga N

20

120

100

40 50

90 N

80

60 Nq

70

70 80

60

Penetración estándar N (golpes/30 cm )

M uy suelta Suelta

50 40

Capacidad Portante de Zapatas en Arena

30 20 10 0 28 30

32 34

36 38 40 42 44

46

/ (grados) Angulo de fricción interna,o

Factores de capacidad de carga teniendo en cuenta la falla local. Ref.(Peck,H ansen y Thornburn,1953)

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 UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005

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.

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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.

Reference (1)

Correction Factor C N (2)

Teng (1962)

Units of σ (3) psi

50

CN =

10 + σr 4 1 + 2σr

σr < 1.5

4 3.25 +0.5σr

σr > 1.5

Bazaraa (1967)

CN =

ksf

Peck, Hansen, and Thornburn (1974)

CN = 0.77 log 10 20 σr

tsf

Seed (1976)

CN = 1 - 1.25 log 10 σr

tsf

Seed (1979)

Ver Fig. 1(b)

tsf

Tokimatsu and Yoshimi (1983)

1.7 0.7 + σ r

CN =

kg/cm5

SPT Correction Factor C N

1

0.5

1.0

1.5

2.0

SPT Correction Factor C N 2.5

Tokimatsu and Yoshimi (1983) (Dashed Line)

2 Seed (1976)

3 Bazaraa (1967)

4 Teng (1962)

0.5

0

1.0

Bazaraa (1967)

- V - TSF Effective Overburden Stress σ

- - TSF Effective Overburden Stress σ V

0

0

3

2.0

2.5

Peck, Hansen and Thornburn (1974)

1

2

1.5

Seed (1979)

Dr 40-60% Dr 60-80%

4

5

5

Inconsistent

Consistent

(a)

(b)

SPT Correction Factor C N

0

0.5

1.0

1.5

- - TSF Effective Overburden Stress σ V

0

1

2

2.0

2.5

Bazaraa (1967) Proposed CN (Dashed Line)

Seed (1967)

3

Proposed CN

4

1 σv

σ v in units of TSF

5

Comparison of Proposed CN with Bazaraa (1967) and Seed (1969) Correction Factors

Ensayos In-Situ - SPT

70

0

5

10

15

20

25

30

60

70

φ=

50

60

φ=

45

50

50

40

40

φ=

SPT N

40

30

30

5 φ=3

20

20

φ = 30 φ = 25

10

10

0

0 0

5

10

15

20

25

30

σvo Ton/m 5 Efecto de Sobrecarga en Angulo de Fricción (De Mello, 1970) (De Mello, 1970)

Dr %

SPT N

Cono Holandés qu (TSF)

< 20

60

> 50

> 200

> 45

Densidad Muy Suelta

Muy Densa

φ°

Relación de Densidad y Angulo de Fricción (Meyerhof, 1953)

Ensayos In-Situ

Resistencia a la penetración standard N(golpes por 300 m m )

Ensayos In-Situ

M uy Suelto Suelto

0

M edio denso

Denso

M uy Denso

10 20 30 40 50 60 70 28

30

32

34

36

38

40

42

44

Angulo de resistencia cortante φ en grados

Correlación de Angulo de Fricción y el N(SPT)

Ref. (Peck, Hanson y Thorburn, 1974)

ASENTAMIENTO DE ESTRUCTURAS CIMENTADAS SOBRE ARENA

FIN DE LA EXPOSICION