ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS CON FINES DE CIMENTACIÓN

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1 ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS CON FINES DE CIMENTACIÓN (Ing. Jaime Sandoval Ballarte Ing. Angel Villegas Sotelo) COGESA Introducción Actualmente resulta primordial realizar estudios de Mecánica de Suelos con fines de cimentación, a fin de construir estructuras con cimentaciones apropiadas que reflejen la realidad del sitio, para que las cimentaciones diseñadas puedan dar seguridad a las edificaciones frente a un evento sísmico, en vista de lo anterior el Articulo 3 de la Norma de Suelo y Cimentaciones E.050, se detallan las edificaciones que tienen la obligatoriedad de realizar EMS. Además la Norma E050 proporciona información, para cada tipo de edificación en su Tabla Nº 1 en la cual se expone la clase de estructura, distancia mayor entre apoyos, números de pisos, incluido los sótanos de la estructura. Así mismo proporciona Técnicas de Investigación en su Tabla Nº2 y su aplicación, Aplicación y Limitaciones de los Ensayos en su Tabla Nº3, Tipo de muestras, Ensayos de Laboratorio en su Tabla Nº5, Programa de Investigación Mínimo-PIM, Profundidad p mínima a alcanzar en cada punto de Investigación, Planos y Perfiles de Suelos, Asentamiento Tolerable, Ataque Químico por suelo y Agua Subterráneas, Sostenimientos de excavaciones y Recomendaciones para la Construcción de Calzaduras. Entre otros aspectos de vital importancia. Objetivos El objetivo de COGESA, empresa especialista en Ingeniería Geotecnia, es realizar un EMS con fines de cimentación para un edificio comercial, el cual será desarrollado conforme a la Norma de Suelos y Cimentaciones E.050. del Reglamento Nacional de Construcciones, calculando la capacidad portante y los asentamientos tolerables. Metodología La metodología que realiza COGESA para el calculo de la capacidad portante es por diferentes métodos como el método de Terzaghi modificado por Vesic o por la aplicación de la teoría de Mayerhof (1963) mejorada por Vesic para zapatas tanto aisladas como corridas. En la presente investigación se utiliza este ultimo método, además se utilizaran las metodologías de la Mecánica de Suelos y Cimentaciones.

2 Palabra Clave: EMS (Estudios de Mecánica de Suelos con Fines de Cimentación) 1.0 GENERALIDADES 1.1 OBJETIVO El presente informe técnico corresponde al estudio de mecánica de suelos con fines de cimentación para la construcción de estructuras en el local del Centro Comercial. El estudio de suelos se ha efectuado con el fin de determinar las condiciones geotécnicas del subsuelo y los parámetros de resistencia que permitirán el cálculo de la presión admisible en el terreno asignado a la construcción del local comercial. Este estudio se ha realizado mediante una investigación geotécnica que involucra trabajos de campo (calicatas) y ensayos de laboratorio llevados a cabo en la Universidad Nacional de Ingeniería, necesario para definir la estatigrafia, las propiedades de resistencia y la deformación del terreno; necesario para la cimentación de las estructuras. 1.2 UBICACIÓN El área del proyecto se ubica en el Jr. Leoncio Prado N 660 (Ulises Boy Urb. Ex Fundo Orbea - Magdalena del Mar) Provincia de Lima, Departamento de Lima. 1.3 CARACTERÍSTICAS DE LA CIMENTACIÓN En la construcción de las estructuras para el centro comercial se plantea utilizar una cimentación aislada superficial con zapatas cuadradas en el eje y rectangulares en los extremos. 1.4 METODOLOGIA DEL TRABAJO La metodología del trabajo empleado para el desarrollo del presente informe técnico fue llevado a cabo en 3 fases: a) Trabajo de campo - Reconocimiento preliminar del área a estudiar. - Investigación geognóstica b) Ensayos de laboratorio c) Trabajos de gabinete - Elaboración del informe 2.0 CONDICIONES GEOLÓGICAS PARTICULARES

3 2.1 MORFOLOGIA Y LITOLOGÍA El área donde se ubica la zona de trabajo forma parte del antiguo cono de deyección del río Rimac. Los materiales constituyentes son depósitos cuaternarios de naturaleza aluvial formados por suelos detriticos inconsolidados principalmente gravas bien graduadas con matriz poco abundante de arena limosa, pequeñas capas de arcilla y limo superficial con algunas raíces de plantas. Las gravas tienen forma redondeadas a sub-redondeadas; presencia de bolonería subredondeada a redondeadas de tamaño hasta 25 cm. 2.2 HIDROGEOLOGIA No se ha observado en el área de estudio la presencia de una acuífero que pueda influir sobre la construcción de las estructuras del centro comercial. 2.3 GEODINÁMICA EXTERNA Durante la fase de reconocimiento de campo del área de trabajo y sus alrededores, no se han apreciado riesgo geológico por procesos de geodinámica externa que pudieran afectar la vulnerabilidad de la obra. 2.4 SISMICIDAD La zona de estudio se localiza en la zona 3 del mapa de zonificación sísmica del Perú y corresponde a la zona de moderada a alta sismicidad. De acuerdo a las características del subsuelo de cimentación, según la norma de diseño sismo resistente (NTE - 030), se tomaron los siguientes valores para las 2 calicatas: FACTOR DE ZONA : Z = 0.4 CLASIFICACION DEL SUELO : S = 1.2 PERIODO PREDOMINANTE : TP = GEOTECNIA 3.1 PROGRAMA DE INVESTIGACIONES Teniendo en cuenta las características de proyecto se procedió elaborar un programa de investigaciones geotécnicas, el cual consistió en prospección geognóstica y ensayos determinativos de laboratorio. La investigación de campo se ha efectuado a la norma E 050 de suelos y cimentación, del reglamento nacional de cimentaciones. Los trabajos efectuados son los siguientes:

4 3.1.1 PROSPECCION GEOGNOSTICA La prospección geognóstica se efectúo mediante la excavación de 2 calicatas ejecutadas en el área destinada a la construcción del centro comercial. Estas calicatas permitieron la evaluación visual del subsuelo y han alcanzado una profundidad máxima de 2.20 m, con respecto a la superficie del terreno. En cada calicata se efectuó el registro del perfil estatigráfico y posteriormente se tomó muestras del suelo para los respectivos ensayos de laboratorio. A continuaciones indica la relación de calicatas evaluadas según su ubicación y la profundidad alcanzada. Cuadro 1: Relación de calicatas excavadas Calicata Tipo de Profundidad Coordenadas excavación (m) C 1 Manual , N 274, E C- 2 Manual ,751.78N 274,618.14E El anexo se adjuntan los registros de las calicatas ENSAYOS DE LABORATORIO Los ensayos determinativos de laboratorio se efectuaron para determinar las características geotécnicas de los materiales inconsolidados. Los ensayos se efectuaron en el laboratorio N 2 de mecánica de suelos de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNI, siguiendo las normas de la American Society for Testing and Material (ASTM) y fueron los siguientes: Análisis granulométrico por tamizado ASTM D422 Corte directo : ASTM 3080 Cono de arena Densidad in situ : ASTM CLASIFICACION DE SUELOS Los materiales representativos se ha clasificado de acuerdo al Sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS), según se muestra en el cuadro N 2. Cuadro N 2: Clasificación de suelos

5 Perforación C- 1 Muestra M 1 Profundidad (m) 2.20 % gravas 65.5 % arenas 33.4 % finos 1.1 Límite líquido(%) Límite plástico (%) Índice de plasticidad (%) Clasificación SUCS N.P. N.P. N.P. GW 3.2 RESULTADOS OBTENIDOS EN LA PROPORCION GEOGNOSTICA De acuerdo a lo obtenido en la inspección visual de las calicatas y la clasificación de los suelos obtenidos de los ensayos estándar en laboratorio se pueden definir los siguientes: En la calicata C-1 hasta la profundidad excavada (2.20 m) el subsuelo está conformada por el siguiente perfil: m Arcilla limosa de color beige con presencia de raíces de planta y residuos vegetales (suelo agrícola) ligeramente a moderadamente húmeda m Grava bien graduada con matriz areno limosa de compacidad suelta con alto porcentaje de gravas finas a gruesas de 1.00 a 3.00 cm de forma redondeada a subredondeadas, y achatadas grava bien graduada con matriz arenosa, de color beige, de compacidad suelta, grava predominantemente gruesa de 3 a 7 cm de forma redondeadas a subredondeadas, achatadas y un 30% de bolonería, fragmentos mayores a 7 cm. NO SE ENCONTRÓ NIVEL FREÁTICO En la calicata C-2 hasta la profundidad excavada (2 m) el subsuelo está conformado por el siguiente perfil:

6 Arcilla limosa de color pardo, presencia de raíces vegetales, ligeramente húmeda (suelo orgánico, agrícola) Grava bien graduada con matriz areno limosa de compacidad suelta con alto porcentaje de gravas gruesas de 3 a 6 cm de forma redondeadas, achatadas con un 40% de boloneria. NO SE ENCONTRO NIVEL FREÁTICO 3.3 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DETERMINATIVOS Calicata C 1 a) Clasificación de suelos El análisis granulométrico por tamizado ha determinado que corresponde a gravas bien graduadas con arena (GW). Estos suelos están constituidos por 65.5% de gravas, 33.4% de arenas y 1.1% de finos no plásticos. b) Densidad natural El ensayo de densidad in situ indica que estos suelos a profundidad de 2.40 m presenta una densidad húmeda de 2.24 g/cm3 y una densidad seca de 2.22 gr/cm3. c) Ángulo de fricción y cohesión El ensayo de corte directo efectuado en una muestra remoldeada a la densidad de campo ha determinado que el ángulo de fricción es de 32.1 y una cohesión de 0 kg/cm PARÁMETROS GEOTÉCNICOS DEDUCIDOS De acuerdo a las características de la muestra investigada y la compacidad del suelo se estima que estos suelos son permeables, estimándose una permeabilidad de ANÁLISIS DE CIMENTACIÓN El suelo existente donde se cimentará las estructuras en la zona del proyecto presenta características friccionantes. Los aspectos principales a tratarse son la capacidad portante y la deformación (asentamiento) del suelo. La capacidad portante es la máxima presión que puede transmitir la cimentación al subsuelo bajo dos consideraciones: a) El factor de seguridad de una falla por cortante que sea, Fs = 4.

7 b) Los asentamiento producidos por la presión recomendada no sean mayores a los asentamientos admisibles por la estructura. La metodología para calcular la capacidad portante, se inicia cumpliendo la primera consideración, es decir calculando la presión vertical, capacidad admisible (q adm ), de tal forma que se obtenga un factor de seguridad Fs = DETERMINACION DE LA CAPACIDAD PORTANTE Para determinar la capacidad portante de los suelos bajo el nivel de cimentación se realizó un ensayo de corte directo en la muestra remoldeada de grava, bien graduada con arena obtenida en la calicata C-1. Los parámetros geotécnicos utilizados para los cálculos de la capacidad portante fueron los siguientes: Cuadro N 3: Valores utilizados para los cálculos de la capacidad portante de los suelos Parámetros Geotécnicos Densidad seca δ Gr/cm Ángulo de fricción φ 32.1 Cohesión C Kg/cm 2 0 Nc Nq Nγ Profundidad de cimentación (Df) cm 80 a 150 Ancho (B) cm 80 a 180 Largo de cimentación (L) cm 160 a 170 Factor de seguridad (Fs) 4 Se plantea una cimentación aislada con zapatas cuadradas y rectangulares. Los valores de Nc, Nq y Nγ pueden ser obtenidos de la Tabla según Vesicc (1973) del anexo N 2 teniendo en consideración el ángulo de fricción obtenido de los ensayos de laboratorio de corte directo. En la aplicación de la teoría de Mayerhof (1963) mejorada por Vesicc para zapatas tanto aisladas como corridas, considero la siguiente ecuación general.

8 qc = CN c.f cs.f cd.f ci + qn q.f qd.f qi γbnγ. F γs.f γd.f γi... Ec.(1) q adm = Donde: q c c γ B L N c, N q, N γ F s q F c s...ec.(2) q = x γ Ec. (3) = La capacidad portante del terreno = Cohesión del terreno = Densidad seca = Profundidad = Ancho de cimentación = Largo de la zapata = Factores de capacidad de carga = Factor de seguridad F cs, F qs, F γs = Factores de forma F cd, F qd, F γd = Factores de profundidad F ci, F qi, F γi = Factores de inclinación de la carga Además: Los Factores de forma B N q F cs = 1 +. L N F qs = 1 + L B. Tanφ F γs = L B c Factores de profundidad: a) Condición: 1 B F cd = B F qd = Tanφ (1 - Senφ) 2 F γd = 1 B b) Condición: B > 1 F cd = 1+ (0.4)Tan -1 ( B ) F qd = Tanφ (1 - Senφ) 2 Tan -1 ( B ) F γd = 1

9 Inclinación: F ci = F qi = (1 - F γi = (1 - φ β ) 2 β ) 2 90 β = Inclinación de la carga sobre la cimentación con respecto a la vertical. El factor Tan -1 ( B ) esta en radianes. Se consideró al factor de inclinación como 1 y factor de seguridad = 4. El objetivo de considerar un adecuado factor de seguridad es por las siguientes razones: - Prevenir las variaciones naturales a la resistencia al corte del suelo - Precaverse contra la posible disminución local a la capacidad portante del suelo durante el proceso constructivo. - Prever asentamientos perjudiciales de la cimentación Cálculo de la capacidad portante del suelo según la Ec.(1), Ec(2) y Ec. (3). a. Zapata cuadrada Profundidad (m) q c = kg/cm 2 Presión admisible Ancho de cimentación B = 180 cm (q adm ) kg/cm b. Zapatas rectangulares Profundidad (m) q c = kg/cm 2 Presión admisible B = 0.85m = 85cm L = 1.70m = 170cm (q adm ) kg/cm

10 Profundidad (m) q c = kg/cm 2 Presión admisible B = 0.80m = 80cm L = 1.60m = 160cm (q adm ) kg/cm ANÁLISIS DE ASENTAMIENTO La interacción de los suelos del elemento cimiento debido a las cargas que se le impone al suelo provoca el asentamiento del mismo. Las presiones anteriores pueden generar asentamientos mejores pueden generar asentamientos mayores a los admisibles, por lo tanto se verificará los asentamientos previstos. Las características del asentamiento pueden deducirse de acuerdo a sus propiedades físicas y mecánicas, según las consideraciones de Mayerhof. En suelos granulares, de material grueso los asentamientos son básicamente instantáneas del tipo inmediato que vienen a ser los asentamientos totales que sufrirá la cimentación. Los asentamientos dependerán de los valores del módulo de elasticidad. Según la teoría elástica podemos utilizar la siguiente expresión: S = 2 qb (1 µ )If Es Donde: S = asentamiento inmediato en cm µ = relación de Poisson If = Factor de forma Es = Módulo de elasticidad q = Presión admisible B = Ancho de cimentación Se tiene los siguientes datos µ = 0,25 Es = 1, If = El valor se saca de tablas según la relación ( B L ) El asentamiento diferencial tolerable será del orden de una pulgada y se estima como el 75% del asentamiento inmediato. Para la zapata cuadrada:

11 Profundidad (m) Presión admisible (kg/cm 3 ) Asentamiento (cm) Asentamiento diferencial tolerable (cm) Para la zapata rectangulares: Profundidad (m) Presión admisible (kg/cm 3 ) Asentamiento (cm) Asentamiento diferencial tolerable (cm) Profundidad (m) Presión admisible (kg/cm 3 ) Asentamiento (cm) Asentamiento diferencial tolerable (cm) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El presente informe técnico se ha elaborado en base a la norma técnica E- 050 de suelos y cimentaciones del Reglamento Nacional de Construcciones y corresponde al estudio de mecánica de suelos con fines de cimentación para la construcción civil del Centro Comercial ubicado en el Jr. Leoncio Prado 660 Magdalena del Mar, Provincia y Departamento de Lima. Se ha planteado una estructura cimentada con cimientos aislados cuadrados y rectangulares. El área de estudio está conformado en un 100% por depósitos detriticos inconsolidados. Estos depósitos son de origen aluvial y están constituidos por grava bien graduada con matriz arena limosa, presencia de boloneria de hasta 25 cm además de una capa superficial de arcilla y lima. No se ha observado en el área de estudio la presencia de un acuífero que puede influir sobre la construcción del local comercial. Durante el reconocimiento geológico del área de estudio y alrededores no se han apreciado riesgo geológico por procesos de geodinámica externa que pudiera afectar la vulnerabilidad de la obra.

12 Como parámetros para diseño sismo-resistente se consideran los siguientes valores: Factor de zona : Z = 0.4 Clasificación de suelo : S = 1.2 Período predominante : Tp = 0.6 La capacidad portante admisible de los suelos varía de 2.78 kg/cm 2 para un ancho de cimentación de 1.80 m a 4.75 kg/cm 2 a una profundidad de 0.80 m a 1.50m para el caso de cimiento aislado con zapatas cuadradas. La capacidad portante de los suelos en el caso de los cimientos con zapatas rectangulares varía desde: 2.26 kg/cm 2 a una profundidad de 0.80 m a 3.83 kg/cm 2 a una profundidad de 1.50m con dimensiones de ancho y largo de 0.80 x 1.60 m. Se estimó el asentamiento diferencial aplicando la teoría de la elasticidad; con valores que varía entre: 0.35cm y 0.55cm para los cimientos cuadrados y entre 0.16cm y 0.29cm para los cimientos rectangulares, con profundidades que van desde 0.80 a 1.50m. Estos valores son menores al tolerable adoptado de 1 pulgada y será absorbido por la cimientación propuesta. Por la naturaleza del suelo y la profundidad de la excavación con fines de cimentación, esta podrá efectuarse manualmente y se estima que no requerirá de entibaciones especiales. El tiempo de permanencia al aire libre de la excavación deberá ser menor a 3 días. Una vez terminada las excavaciones con fines de cimentación, la zona de contacto suelo-estructura debe ser convenientemente humedecida y compactada. Antes de la compactación, deberá removerse los fragmentos de roca mayores a 3 hasta una profundidad de 50 cm por debajo del nivel de cimentación. Se recomienda hacer un análisis de contenido de sales sulfatos y cloruros solubles para ver la agresividad de los suelos para determinar el tipo de cemento. Los resultados obtenidos en el presente estudio así como las conclusiones y recomendaciones establecidas solo son válidos para el área de influencia en cada calicata investigada y no garantiza a otros proyectos que lo toman como referencia. Bibliografia VESIC.A. (1973) Análisis de la capacidad de carga de Cimentaciónes superficiales Vol Instituto de Ingeniería UNAM México.

13 T. WILLIAM LAMBE ROBERT.V. WHITMAN (1990) Mecanica de Suelos, Instituto de Massachusets.MIT. INGEMMET Boletín Geológico de Lima. Casagrande A. (1959), Discussion of Requirements for the Practice of Applied Soil Mechanics, Memorias del Primer Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Mexico, Vol III, pp Dunnicliff J. y Deere D.U. (1984), Judgment in Geotechnical Engineering. The Professional Legacy of Ralph B. Peck, John Wiley, New York. Romero I. (1975), Seminario en Honor del Profesor Karl Terzaghi, Boletín de la Sociedad Venezolana de Mecánica del Suelo e Ingeniería de Fundaciones, Nº 40, Marzo, pp Skempton A.W. (1960), Significance of Terzaghi s Concept of Effective Stress, From Theory to Practice in Soil Mechanics. Selections from the Writings of Karl Terzaghi, pp 42-53, John Wiley, New York. - Terzaghi K. (1925), Erdbaumechanik auf Bodenphysikalischer Grundlage, Vienna, Deuticke, 399 pp.