Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil. Análisis y factibilidad técnica para fundaciones tipo bulbo en suelos cohesivos

Transcripción

1 Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Análisis y factibilidad técnica para fundaciones tipo bulbo en suelos cohesivos Valeria García P. Tutor: Ing. Heriberto Echezuría Caracas, Febrero 2002

2 II Derecho de autor Cedo a la Universidad Metropolitana el derecho de reproducir y difundir el presente trabajo, con las únicas limitaciones que establece la legislación vigente en materia de derecho de autor. En la ciudad de Caracas, a los 20 días del mes de Febrero del año 2002 Autor

3 III Aprobación Considero que el Trabajo Final titulado ANÁLISIS Y FACTIBILIDAD TÉCNICA PARA FUNDACIONES TIPO BULBO EN SUELOS COHESIVOS elaborado por la ciudadana VALERIA GARCÍA PAJARES para optar al título de INGENIERO CIVIL Reúne los requisitos exigidos por la Escuela de Ingeniería Civil de la escuela de la Universidad Metropolitana, y tiene méritos suficientes como para ser sometido a la presentación y evaluación exhaustiva por parte del jurado examinador que se designe. En la ciudad de Caracas, a los 20 días del mes de Febrero del año 2002 Tutor

4 IV Acta de veredicto Nosotros, los abajo firmantes constituidos como jurado examinador y reunidos en Caracas, el día 25 de febrero del año 2002, con el propósito de evaluar el Trabajo Final titulado ANÁLISIS Y FACTIBILIDAD TÉCNICA PARA FUNDACIONES TIPO BULBO EN SUELOS COHESIVOS Presentado por la ciudadana VALERIA GARCÍA PAJARES Para optar al título de INGENIERO CIVIL Emitimos el siguiente veredicto: Reprobado Aprobado Notable Sobresaliente Observaciones: Jurado Jurado Jurado

5 V Agradecimientos Primero y principal debo agradecer a Dios y a la Virgen, porque gracias a ellos hoy me encuentro aquí, porque me han acompañado en cada momento de mi vida y debo darle las gracias por haberme dado la sabiduría y la fortaleza que se necesita para llegar a esta etapa, que ahora es que comienza. Gracias a mi familia, a mi mamá, mi papá, Juank y Gaby, gracias a Dios por ponerlos en mi camino y porque hoy están aquí conmigo compartiendo tanta felicidad, gracias porque ustedes me han dado la educación más importante que una persona puede tener, todo lo que soy se lo debo a ustedes, sin ustedes no hubiera podido, éste es mi regalo por todo lo que me han dado y por haber hecho lo que fuera porque yo estuviera aquí. Gracias a ti, Javier, por siempre estar cuando te necesito y cuando no, porque sin tu fortaleza y tus regaños no hubiera podido, porque gracias a tu amor pude lograrlo y ahora es que comienza una nueva vida para ambos. Te Amo. Gracias a mi tutor por haberme dado esta oportunidad, gracias por su ayuda y porque este trabajo de grado se lo debo a usted, que sin conocerme confió en mi. Y además le debo agradecer a tres personas, los Ingenieros: Edwin Parra, José Domingo Alviar y Manuel Pose; les doy las gracias por haberme ayudado tanto, porque sin usted no estaría presentando esta tesis, mil gracias. Y gracias a todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron en este trabajo, a todos mis amigos, a mi colegio Mater Salvatoris y la universidad, porque son una parte importante en mi educación y mi vida, GRACIAS a todos. La constancia es la virtud de los triunfadores. No importa que pierdas pequeñas batallas, lo importante es que al final te levantes con la victoria.

6 VI Índice de contenido Lista de tablas y figuras. VIII Resumen. XII Introducción.. 1 Capítulo I. Análisis y factibilidad técnica para fundaciones tipo bulbo en suelos cohesivos I.1. Planteamiento del problema.. 4 I.2. Objetivos de la investigación....8 Capítulo II. Marco Teórico II.1. Perfil geotécnico..10 II.2. Capacidad portante para fundaciones superficiales y semiprofundas.. 15 II Falla portante del suelo II.2.2. Capacidad portante por carga última..18 II Ecuación general de capacidad portante Terzaghi..21 II Ecuación general de capacidad portante Meyerhof.24 II Ecuación para la Capacidad de carga última neta según Skempton..28 II.2.3. Capacidad portante por asentamiento. 29

7 VII II Asentamiento elástico basado en la teoría de la elasticidad 31 II Asentamiento por consolidación..36 Capítulo III. Marco Metodológico III.1. Generación o construcción de la cavidad. 39 III.1.1. Evaluación de la estabilidad de la cavidad a construir.40 III Estabilidad del techo de la cavidad.. 40 III Estabilidad del fondo de la cavidad.44 III.3. Construcción del bulbo 50 III.3.1. Resistencia a la flexión de la base del bulbo...51 III.3.2. Resistencia al corte en el bulbo debido a la flexión 57 III.3.3. Resistencia al corte en el bulbo por punzonado 58 III.4. Diseño y evaluación del pedestal o tubo de inyección..61 III.4.1. Diseño por carga axial 62 III.4.2. Diseño por columna esbelta.65 Capítulo IV. Capacidad de carga para un pilote a fricción.70 Capítulo V. Resultados y análisis.74 Capítulo VI. Conclusiones y recomendaciones.78 Referencias bibliográficas..80

8 VIII Lista de tablas y figuras Tablas 1. Relación entre consistencia de arcillas, número de golpes y resistencia al corte, Factores de capacidad de carga de Terzaghi, Factores de corrección para cimentaciones rectangulares, cuadradas y circulares, Factores de forma, profundidad e inclinación recomendados para su uso, Parámetros elásticos para varios suelos, Estimación del radio de la cavidad por estabilidad del techo de la cavidad, Verificación de la estabilidad del fondo de la cavidad (sin agua), Verificación de la estabilidad del fondo de la cavidad (con agua), Carga última de un pilote a fricción, Cálculo de la resistencia al corte sin drenaje en función del esfuerzo efectivo vertical, anexos. 11. Capacidad de carga última según Terzaghi para un? = 2 Ton/m 3 para una fundación circular (superficial y profunda), anexos.

9 12. Capacidad de carga última según Meyerhof para un? = 2 Ton/m 3 IX para una fundación circular, anexos. 13. Capacidad de carga última según Skempton para un? = 2 Ton/m 3 para una fundación circular, anexos. 14. Capacidad portante por asentamiento elástico para una cimentación rígida con? = 2 Ton/m 3 con qu según Skempton, anexos. 15. Capacidad portante por asentamiento elástico para una cimentación rígida con? = 2 Ton/m 3 con qu según Meyerhof, anexos. 16. Capacidad portante por asentamiento elástico para una cimentación rígida con? = 2 Ton/m 3 con qu según Terzaghi, anexos. 17. Altura mínima del bulbo debido al análisis estructural por flexión, corte y punzonado (qu según Skempton y? = 2 Ton/m 3 ), anexos. 18. Carga crítica del pedestal por carga axial para diferentes diámetros comerciales. (qu según Skempton y? = 2 Ton/m 3 ). anexos. 19. Carga crítica del pedestal por esbeltez con confinamiento del suelo para diferentes diámetros comerciales (qu según Skempton y? = 2 Ton/m 3 ), anexos. Figuras 1. Envolvente de Mohr para condición?=o, Incremento de la resistencia al corte con la profundidad, 13

10 X 3. Falla general por corte, Falla local de corte, Falla de corte por punzonado, Dimensiones del bulbo (elipsoide), Factores de capacidad de carga para la ecuación general de capacidad portante de Meyerhof, Asentamientos elásticos de cimentaciones flexibles y rígidas, Valores de????? prom y? r, Valor de Su a una profundidad media de la zona de influencia del asentamiento, Fuerzas que actúan en el equilibrio del hoyo, Zona de falla del fondo de la excavación en arcillas blandas, Fuerzas que intervienen en la falla de fondo de la excavación, Capacidad portante que actúa en la base del bulbo, Fuerzas resultantes provenientes de la capacidad portante del suelo, Flexión generada en el bulbo, Fuerza cortante que actúa en el bulbo debido a la flexión, Superficie de falla por punzonado, Dimensiones y cargas del pedestal, Posible pandeo del pedestal, 66

11 XI 21. Variación de a con la cohesión no drenada de una arcilla, Gráfica de la resistencia al corte sin drenaje en función de del peso específico del suelo y la profundidad, anexos. 23. Gráfico comparativo de la capacidad de carga neta última según Skempton, Meyerhof y Terzaghi (superficial y profunda) para? = 2 Ton/m 3, anexos. 24. Gráfico comparativo entre Qu/3 y Qs en función de la profundidad con qu según Skempton, anexos. 25. Gráfico comparativo entre Qu/3 y Qs en función de la profundidad con qu según Meyerhof, anexos. 26. Gráfico comparativo entre Qu/3 y Qs en función de la profundidad con qu según Terzaghi, anexos. 27. Gráfico comparativo de las alturas mínimas del bulbo analizado por flexión, corte y punzonado, anexos.

12 XII Resumen Análisis y factibilidad técnica para fundaciones tipo bulbo en suelos cohesivos Autor: Valeria García. Tutor: Heriberto Echezuría. Caracas, Febrero 2002 El objetivo principal de este trabajo de grado, es el de crear un nuevo sistema de fundación, que de una manera rápida y fácil de construir, le proporcione al suelo una mayor capacidad para resistir las cargas transmitidas por cabrias de perforación. El proceso constructivo de esta fundación utiliza un tubo de inyección, por el cual también se introduce agua, para remover el suelo con el fin de crear una cavidad a la profundidad deseada. Posteriormente, esa cavidad se rellenará con concreto, para formar un bulbo de fundación. Para el diseño del bulbo, se deben realizar una serie de análisis, comenzando por estimar la capacidad portante, luego se chequea la estabilidad de la cavidad a construir, tanto por cargas verticales como por el levantamiento del fondo de la excavación, y por último se verifica si dicha fundación, puede resistir estructuralmente la flexión, el corte y el punzonado que genera el pedestal sobre la fundación. También será evaluada la estabilidad del tubo de inyección, que hará las veces de fuste para transmitir las cargas desde la superficie hasta el bulbo. El mismo será chequeado por cargas axiales y como una columna esbelta. Como parte del alcance del presente trabajo, una vez evaluado cada uno de los puntos se tendrá el diseño para las distintas condiciones utilizadas y se hará una comparación con los pilotes a fricción, que cumplan con las mismas condiciones.

13 1 Introducción La economía venezolana se basa principalmente en la explotación de petróleo, por ello es necesaria la exploración de nuevos yacimientos petroleros que aumenten la producción del mismo. En Venezuela existen zonas con difíciles condiciones de acceso, donde se pueden explotar estos yacimientos. Muchas de estas zonas corresponden a áreas pantanosas con presencia de suelos muy blandos, mayormente arcillosos y de naturaleza anegadiza. Para poder aumentar la producción de estos campos petroleros, es necesaria la construcción y empleo de taladros de perforación, los cuales no pueden ser soportados por estos suelos tan poco resistentes, sin la debida escogencia de un sistema de fundación, que proporcione al suelo una buena capacidad portante para poder soportar la estructura. Cuando se habla de escoger una fundación, se refiere a seleccionar entre varias opciones que posean diferentes características. Esta escogencia depende de las condiciones del suelo y del presupuesto de la obra, entre algunos otros factores. En la práctica convencional, existen soluciones de fundación, como son las fundaciones directas, denominadas zapatas y la fundación profunda, como

14 pilotes; las cuales presentan algunas limitaciones para su ejecución en el tipo de condiciones antes descritas. Esto ha permitido la formulación de nuevas tecnologías, entre las cuales está la conceptualización de un nuevo sistema de fundación, que está constituido por bulbos formados mediante la inyección de materiales capaces de transmitir las cargas de la estructura al suelo sobre áreas horizontales relativamente grandes, tal como se consigue con el uso de zapatas, las cuales pueden ser construidas a distintas profundidades sin necesidad de excavar. Este nuevo sistema también resultaría una conveniente alternativa frente al pilotaje, ya que no requiere la utilización de grandes maquinarias, sino un sistema sencillo para instalar tubos de inyección y una bomba de desplazamiento positivo para incorporar el material al bulbo; además de mejorar el presupuesto de los proyectos. El objetivo fundamental del presente trabajo de investigación es el de realizar un análisis técnico de este nuevo sistema de fundación, con el fin de establecer las condiciones de aplicación en zonas pantanosas consuelos blandos, de naturaleza cohesiva. La primera parte del trabajo describe los diferentes aspectos que llevaron a la escogencia de esta fundación tipo bulbo, mediante el planteamiento del problema, y además trata los objetivos de este proyecto. 2

15 La segunda parte referente al marco teórico, describe el perfil geotécnico, en primer lugar, definiendo las características generales de los suelos blandos, y en segundo lugar, se estudian los conceptos de tres autores que plantean diferentes teorías para calcular la capacidad portante, por carga última y por asentamiento, de estos suelos. A continuación, en el tercer capítulo concerniente al marco metodológico, se desarrolla lo referente al comportamiento geotécnico y estructural de la fundación, se evalúa el cómo la formación del bulbo tiene una influencia significativa en la capacidad portante de la fundación, lo cual, a futuro, deberá ser corroborado experimentalmente con una prueba de carga. 3 Para finalizar el trabajo, se incluyen las de conclusiones y recomendaciones para acciones futuras de dicha tecnología.

16 Capítulo I.- Análisis y factibilidad técnica para fundaciones tipo bulbo en suelos cohesivos. 4 I.1.- Planteamiento del problema. Dado que es cada día más frecuente que las operaciones petroleras, que involucran actividades de exploración y producción, se desarrollen en sitios en los cuales las condiciones de suelo presentan muy baja capacidad de soporte para construir las instalaciones o sistemas estructurales requeridos, como son los taladros de perforación para la bús queda de petróleo, surge la necesidad de implementar sistemas de fundación, los cuales se encargan de transmitir las cargas que impone la superestructura al suelo. Para ello se han propuesto varias alternativas en estudios anteriores, entre las cuales están la fundación directa o superficial y la fundación profunda. La fundación directa se encarga de transmitir las cargas de la estructura al suelo a poca profundidad. El uso de este tipo de fundación en estos suelos blandos, genera algunas limitaciones que han sido confirmadas en estudios anteriores, como lo es la posibilidad de grandes asentamientos uniformes y de rotaciones de la fundación alrededor de un eje horizontal. (Parra, J. y Alvarellos, J., 1997)

17 Otra limitación para la utilización de esta fundación, es que para obtener una buena capacidad portante en este tipo de terreno, se debe fundar a una gran profundidad, la cual es necesario excavar hasta donde reposa la fundación, ya que las cimentaciones se desplantan debajo de la superficie del terreno, o hacer una zapata de grandes dimensiones cerca de la superficie; estas dos soluciones generan un aumento en el costo de la infraestructura, tanto por la gran cantidad de terreno a excavar, como por el aumento de cantidad del concreto para la elaboración de la zapata de grandes dimensiones y además de la dificultad del traslado de los materiales para la elaboración del concreto, el cual desmejoraría la rentabilidad del proyecto. Además, esta excavación tan profunda implica la extracción del material y esto produce, como consecuencia, un cambio en el estado de esfuerzo del suelo, debajo y a los lados del espacio excavado. Como ningún material puede sufrir un cambio de esfuerzo sin la deformación correspondiente, la excavación siempre está asociada con movimientos de la superficie del terreno adyacente. Estos movimientos usualmente tienen carácter de asentamiento al cargar el suelo, pero en algunos casos al excavar o descargar, la superficie del terreno puede subir. 5 Todo suelo que soporta una carga experimenta un asentamiento, cuya magnitud depende de la intensidad de la carga y de la compresibilidad del suelo.

18 La magnitud de los asentamientos que pueden sufrir las fundaciones debe ser calculada con la mayor exactitud posible para la mayoría de las obras de ingeniería, pues en el caso de asentamientos considerables, pueden ocurrir fallas estructurales que originen la pérdida parcial o total de su funcionalidad o el colapso de sus elementos resistentes. 6 Como el tipo de suelo que nos ocupa en este caso es el blando y la ejecución de una zapata no proporciona un soporte adecuado, también existe la posibilidad de realizar una fundación profunda, como son los pilotes, los cuales transmiten las cargas a un material o suelo más adecuado a mayor profundidad. Los pilotes son miembros estructurales con un área de sección transversal relativamente pequeña, comparada con su longitud y usualmente se instalan usando una piloteadora que tiene un martillo o un vibrador. Una ventaja de los pilotes es que se construyen en una gran variedad de tamaño y diámetro, dependiendo de las solicitaciones de la estructura, lográndose adaptar a requisitos especiales, incluyendo la competencia económica. Los pilotes se clasifican comúnmente en pilotes de punta, los cuales obtienen prácticamente toda su capacidad de carga del suelo que se encuentra cerca de la punta del mismo y muy poca del suelo que rodea su fuste; y pilotes de fricción, los cuales la adquieren principalmente del suelo que lo rodea, por la adherencia que se desarrolla entre el suelo y el pilote. La elección del tipo de pilote para una obra, la dictan las condiciones del

19 subsuelo, las características de hincado de los pilotes, el probable comportamiento esperado de la cimentación y la economía. El sistema de fundación basado en pilotes de fricción, ha sido probado con buenos resultados y es confiable desde el punto de vista técnico. La incertidumbre en la estimación de la capacidad de los pilotes y en los asentamientos de los mismos, es menor que la de las zapatas, pero la dificultad en su aplicación sobre áreas pantanosas, se debe a que es necesario, como se dijo anteriormente, utilizar grandes maquinarias como grúas o martillos para la hinca de pilotes, las cuales son muy difíciles de ingresar a la zona de trabajo, debido a la presencia de caños de poca profundidad, cuyo acceso sólo se puede hacer con equipos de bajo calado. Adicionalmente, existen las siguientes alternativas para la fundación profunda con pilotes no convencionales: pilotes inyectados y pilotes de bulbo ensanchado. Los primeros parten de pilotes de diámetros pequeños, el cual puede ser aumentado mediante inyecciones de cemento. Si se duplica el radio efectivo del pilote se duplicaría la resistencia por fricción de este. Los pilotes de bulbo ensanchado procuran aumentar la capacidad portante al aumentar el área de la punta. Esto puede lograrse por desplazamiento dinámico de los materiales alrededor de la punta, o por excavación con herramientas especiales. La resistencia al corte (Su) no es eficiente para este 7

20 tipo de suelo, ya que al ser un pilote de punta, el suelo donde se apoya la base debe ser un estrato competente. Las tecnologías convencionales antes citadas, no necesariamente resultan las mejores opciones para los esquemas de operación de los taladros en zonas con suelos blandos en áreas pantanosas, ya que estos arrojaron una infraestructura geotécnica con un elevado porcentaje del costo total del pozo. Por este motivo, surge la necesidad de implementar nuevas tecnologías para el mejoramiento o adecuación de las condiciones de estos suelos y para mejorar la trabajabilidad en ellos sin la necesidad de grandes maquinarias ni de grandes excavaciones y esto gracias a la conceptualización de un nuevo sistema de fundación tipo bulbo de concreto, de manera de obtener una mayor capacidad portante del mismo. De esta manera se obtiene una excelente alternativa frente al pilotaje y a las zapatas, debido a su fácil instalación y aplicación, además, de que permite disminuir los costos de infraestructura. 8 I.2.- Objetivos de la investigación. El principal objetivo de este Trabajo Especial de Grado es analizar y establecer la factibilidad técnica de un nuevo sistema de fundación tipo bulbo de concreto para zonas con suelos pantanosos muy blandos, donde

21 predomina la arcilla, y son difíciles de accesar, con el fin de obtener una mayor capacidad portante debido a la mayor área de la fundación, evitando grandes excavaciones, como sería el caso para una zapata o el traslado de maquinaria pesadas para la instalación de un pilote. Además, la aplicación de esta nueva tecnología, permitiría disminuir los costos de infraestructura para mejorar la rentabilidad de los proyectos. Para completar estos aspectos de análisis relacionados con el comportamiento geotécnico y estructural de dicha fundación, se debe realizar un diseño conceptual para la ejecución de una prueba de carga en campo, debido a que es necesario establecer si la perturbación causada en el suelo durante el desplazamiento del mismo para la formación del bulbo, tiene una influencia significativa en la capacidad portante de la fundación. 9

22 10 Capítulo II.- Marco teórico. II.1.- Perfil geotécnico. Para poder diseñar cualquier tipo de fundación es importante conocer las características y propiedades geotécnicas del suelo en el cual se va a fundar, así como también las condiciones del agua del subsuelo. Por tal motivo es necesario explorar el perfil geotécnico de la zona. Para el análisis objeto de esta tesis se utilizarán perfiles homogéneos de arcillas blandas, ya que la fundación a la cual se hace referencia en este trabajo de grado, está pensada para suelos principalmente cohesivos, con baja capacidad portante. Estos suelos se caracterizaran principalmente por la resistencia al corte sin drenaje (Su) y su peso unitario (?). Resistencia al corte sin drenaje. La resistencia a esfuerzo cortante es una propiedad fundamental en los suelos cohesivos inalterados, cuyo conocimiento es necesario para resolver muchos problemas. La resistencia al corte de un suelo (Su) se descompone en dos partes: una debido a la cohesión entre partículas del suelo y otra al rozamiento entre ellas, según expresa la ecuación del ingeniero francés Coulomb (1776):

23 11 Su? C?? tg? (II.1.1)? En suelos arcillosos saturados, donde se desarrolla la condición de resistencia al corte sin drenaje, la humedad permanece constante durante y después de la aplicación del esfuerzo desviador. Esto conlleva a la utilización de la condición??= 0 (Skempton 1948). La representación gráfica de los esfuerzos totales, es una serie de circunferencias de Mohr, en donde todas ellas tienen el mismo diámetro y la envolvente resultante de los esfuerzos totales es una línea recta horizontal, (véase figura 1). La magnitud de la ordenada se conoce por la cohesión del suelo (C). Esta condición hace que la resistencia al corte sin drenaje, derivada de la ecuación anterior, quede de la siguiente manera: Su? C (II.1.2) El corte sin drenaje se presenta en problemas prácticos cuando las cargas exteriores varían a una velocidad mucho mayor que aquella a la que pueden disiparse las presiones intersticiales inducidas y como ya se dijo con anterioridad, la presión de poros en las arcillas se disipa muy lentamente. La condición de corte sin drenaje tiene, por tanto, gran importancia práctica en el caso de las arcillas.

24 12 Figura 1. Envolvente de Mohr para condición?=o Fuente: Mohr-Coulomb. La resistencia sin drenaje representa la resistencia que tiene el suelo natural. Como en la mayoría de los casos el proceso constructivo es más rápido que la consolidación, la resistencia sin drenaje es la que se emplea en la mayoría de los proyectos. Ley de variación de la resistencia al corte (Su) con el esfuerzo efectivo vertical (? v) Debido a muchas experiencias anteriores, se sabe que la relación de Su con? v es igual a una constante. (Ladd y Foot, 1974) Por ello, se puede concluir, gracias a estudios realizados con anterioridad en suelos ubicados en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo (COLM)

25 (Echezuría, Sgambatti, Alviar y Sully, 1990), que la relación de Su con? v 13 puede variar de la siguiente manera: 0.20? Su? 0.24 '? v (II.1.3) En el caso del perfil geotécnico descrito en este trabajo, se utilizara la Su? v relación? 0.20 ', ya que se trata de arcillas blandas normalmente consolidadas. (Véase anexos, tabla 10 y figura 22). Asimismo se puede decir, que la resistencia al corte, en este tipo de suelos, varía triangularmente, ya que el Su aumenta proporcionalmente con el esfuerzo efectivo, el cual a su vez crece con la profundidad, (véase figura 2). Figura 2. Incremento de la resistencia al corte con la profundidad. Fuente: Elaboración propia.

26 14 Además, Terzaghi planteó, gracias a su experiencia, una serie de rangos de valores para número de golpes (N) y resistencia al corte (Su), dependiendo de la consistencia de la arcilla, (véase tabla 1). Tabla 1 Relación entre consistencia de arcillas, número de golpes y resistencia al corte. (Kg/cm 2 ) Consistencia N(SPT) Su = 6N Muy blanda <2 <0,12 Blanda 2-4 0,12-0,25 Medianamente compacta 4-8 0,25-0,5 Compacta ,5-1,0 Muy compacta ,0-2,0 Dura >30 >2,0 Fuente: Terzaghi. Podemos decir entonces que para fines prácticos, en un perfil geotécnico de arcillas blandas, la resistencia al corte promedio del mismo, no debería ser mayor que Kg/cm 2.

27 II.2.- Capacidad portante para fundaciones superficiales y semiprofundas. 15 Los requisitos básicos de una fundación satisfactoria son: ubicación y profundidad convenientes, seguridad respecto a falla, y asentamientos tolerables. El requisito de seguridad respecto a falla tiene que ver con dos formas principales, motivos de inquietud en el diseño: falla estructural de la fundación y falla de capacidad portante del suelo de soporte. II Falla portante del suelo. Observaciones detalladas del comportamiento de fundaciones reales y modelos de fundación (Vesic, 1973) han permitido identificar tres modos diferentes de falla del suelo en los cimientos superficiales y semiprofundos bajo cargas estáticas: Falla cortante general En determinado punto, cuando la presión de fundación alcanza un valor pico q sobreviene una falla súbita del suelo portante, y la superficie de falla en el mecanismo de desplazamiento del suelo se extiende hasta la superficie del manto. Esta magnitud de la presión de fundación, q u, comúnmente recibe

28 el nombre de capacidad portante última de la fundación. Cuando se presenta este tipo de falla súbita en el suelo, acompañada de la extensión de la superficie de falla hasta la superficie del depósito, el modo de falla se denomina falla cortante general. Es también evidente un abombamiento considerable de la superficie del depósito alrededor de la fundación. En la figura 3 puede apreciarse la disposición de las superficies de falla. 16 Fuente: Vesic, Figura 3. Falla general por corte. Falla cortante local Si la fundación considerada descansa ahora sobre un manto granular con densidad media o un material cohesivo de consistencia media, igualmente se presenta un aumento del asentamiento con la carga pero, en este caso, la superficie de falla en el suelo se va extendiendo gradualmente desde el eje vertical de la fundación hacia fuera, como lo muestra la línea llena de la figura 4. Puede decirse que la superficie de deslizamiento no es completa

29 sino que es parcial. Cuando la presión de fundación se hace igual a q u(1), el movimiento de la fundación empieza a experimentar asentamientos súbitos sucesivos que pueden continuar hasta una intensidad q u denominada capacidad portante última. Más allá de este punto el aumento de la carga vendrá acompañado de grandes incrementos en los asentamientos de la fundación. Eventualmente, después de un movimiento considerable de la fundación, la superficie de falla puede llegar a la superficie del depósito. La presión de fundación q u(1) recibe el nombre de primera carga de falla (Vesic, 1963). Esta forma de fallar se denomina falla cortante local. Conviene apreciar que en este tipo de falla no se presenta un valor pico de q. 17 Fuente: Vesic, Figura 4. Falla local de corte. Falla punzonante

30 Si la cimentación es soportada por un suelo bastante suelto, el gráfico carga-asentamiento es parecido en su forma al de la falla local, como el mostrado en la figura 5. No se presentan superficies de falla definidas, como no sean fisuras cortas al azar concentradas alrededor del perímetro del cimiento. Las superficies de falla nunca llegan hasta la superficie del depósito. Este tipo de falla en el suelo de soporte recibe el nombre de falla punzonante; en él tampoco se presenta un valor pico de q. 18 Fuente: Vesic, Figura 5. Falla de corte por punzonamiento. II Capacidad portante por carga última. La capacidad portante, es la capacidad del suelo para soportar una carga sin que se produzcan fallas dentro de su masa, esto se refiere,

31 específicamente, al riesgo de formación de superficies de falla por corte o zonas plásticas en el suelo que soporta la carga. Estas fallas generan grandes desplazamientos o el colapso del cimiento, cuando la presión promedio fundación-suelo alcanza un valor crítico denominado capacidad portante última (q u ). En la práctica usual de la ingeniería, esta capacidad portante última se divide por un factor de seguridad para obtener la capacidad portante admisible. 19 Además, para hallar la carga total (Qt) que puede soportar la fundación, se debe multiplicar la capacidad portante última por el área transversal de dicha fundación, (véase anexos, tablas 11, 12 y 13): Qt? qa (II.2.1) u Pero, si a su vez se quiere calcular la carga neta aplicada a la fundación (Qn), se deberá restarle a la carga total, el peso propio de la fundación (Pp) menos el peso del suelo que ahora es sustituido por el concreto: Qneta? Qt? Pp (II.2.2) Asimismo se puede hallar el valor del peso propio de la siguiente manera: Pp? V (??? ) (II.2.3) b concreto suelo donde:

32 Vb? 4 3? rla = volumen del bulbo (elipsoide), (véase figura 6): 20 h a? ; h = altura del bulbo. 2 r? l = radio del bulbo.? concreto? 2400 Kg/m 3 Figura 6. Dimensiones del bulbo (elipsoide). Fuente: Elaboración propia. El estado actual de conocimientos en la ingeniería de fundaciones suministra una amplia variedad de fórmulas y modelos físicos para el análisis de los cimientos, desde el punto de vista de la capacidad portante. La utilización correcta de estas herramientas requiere la consideración cuidadosa

33 de los alcances de las teorías y su relación con las condiciones de cada problema particular. 21 En los párrafos siguientes se describirán las teorías de Terzaghi, Meyerhof y Skempton, las cuales serán utilizadas para el análisis de la fundación tipo bulbo objeto de este trabajo. II Ecuación general de capacidad portante Terzaghi. La ecuación para la capacidad portante última se puede escribir en una forma simple:? B qu? N?? CNc? qnq (II.2.4) 2 donde: B = ancho del cimiento.??? peso específico del suelo. C = resistencia al corte del suelo. q (presión de sobrecarga) =? x Df Df = profundidad de la fundación.

34 Los símbolos N?, Nc y Nq son factores de la capacidad portante, los cuales 22 dependen del ángulo de fricción interna???el término que contiene el factor N?, muestra la influencia del peso del suelo y el ancho de la cimentación, el que contiene Nc, muestra la influencia de la cohesión y el que contiene Nq, la influencia de la sobrecarga (véase tabla 2). Tabla 2 Factores de capacidad de carga de Terzaghi?? Nc Nq N??? Nc Nq N? 0 5,70 1,00 0, ,21 27,09 9,84 1 6,00 1,10 0, ,90 29,24 11,60 2 6,30 1,22 0, ,81 31,61 13,70 3 6,62 1,35 0, ,98 34,24 16,18 4 6,97 1,49 0, ,46 37,16 19,13 5 7,34 1,64 0, ,28 40,41 22,65 6 7,73 1,81 0, ,52 44,04 26,87 7 8,15 2,00 0, ,23 48,09 31,94 8 8,60 2,21 0, ,50 52,64 38,04 9 9,09 2,44 0, ,44 57,75 45, ,60 2,69 0, ,16 63,53 54, ,16 2,98 0, ,80 70,07 65, ,76 3,29 0, ,55 77,50 78, ,41 3,63 1, ,61 85,97 95, ,11 4,02 1, ,27 95,66 115, ,86 4,45 1, ,85 106,81 140, ,68 4,92 1, ,75 119,67 171, ,56 5,45 2, ,50 134,58 211, ,52 6,04 2, ,74 151,95 261, ,56 6,70 3, ,29 172,29 325, ,69 7,44 3, ,19 196,22 407, ,92 8,26 4, ,80 224,55 512, ,27 9,19 5, ,85 258,29 650, ,75 10,23 6, ,64 298,72 831, ,36 11,40 7, ,15 347, , ,13 12,72 8,34 Fuente: Terzaghi.

35 Esta expresión general fue deducida por Terzaghi (1943) de un análisis riguroso de la capacidad de carga y se basa en acercar la forma de la superficie de falla por esfuerzo cortante a una combinación de líneas rectas y espirales logarítmicas. Efecto de las dimensiones de la fundación. En este análisis de Terzaghi, se ha supuesto que la cimentación es infinitamente larga (B/L = 0). Cuando la cimentación tiene una longitud limitada se producen esfuerzos cortantes en superficies que forman ángulo recto con las previamente descritas y los factores de capacidad de carga Nc y N? cambian, por tal motivo, se han creado factores de corrección por los que 23 deben multiplicarse los factores de capacidad de carga (véase Tabla 3), siendo B y L el ancho y el largo de la cimentación, respectivamente, en el caso de ser rectangulares y cuadradas. En el caso de cimentaciones circulares, el diámetro D es el ancho B. Tabla 3 Factores de corrección para cimentaciones rectangulares, cuadradas y circulares. Forma de cimentación Corrección para Nc Corrección para N?? Cuadradas L/B = 1 1,25 0,85 Rectangular L/B = 2 1,12 0,90 Rectangular L/B = 5 1,05 0,95 Circular B = D 1,2 0,70 Fuente: Terzaghi, 1943.

36 II Ecuación general de capacidad portante Meyerhof. 24 El análisis de Terzaghi fue mejorado posteriormente por Meyerhof (1963), ya que además de los factores de capacidad de carga, este autor toma en cuenta otros factores, como son los de forma, profundidad e inclinación de carga, éstos son factores empíricos basados en datos experimentales (véase tabla 4). Para utilizar dichos factores, Meyerhof sugirió la siguiente forma de ecuación general de capacidad de carga:? B qu? CNcF FF? qnqf FF? NFFF???? 2 cs cd ci qs qd qi s d i (II.2.5) donde: F cs, F qs, F?s = factores de forma. F cd, F qd, F?d = factores de profundidad. F ci, F qi, F?i = factores por inclinación de la carga. Los valores de los factores de capacidad de carga se muestran en la Figura 7.

37 Tabla 4 Factores de forma, profundidad e inclinación recomendados para su uso. 25 Factor Forma Profundidad Inclinación F qd Relación BNq Fcs? 1? LNc B Fqs? 1? L tan? B F? s? 1? 0.4 L Condición (a): Df / B? 1 Df Fcd? 1? 0.4 B 1 2tan? 1? 2 Df F???? sen? qd B F? d? 1 Condición (a): Df / B? 1 F cd D? 1? f?? 1? 0.4tan??? B??? 2 D? 1? f?? 1? 2tan? 1? sen? tan? B? F? d? 1 F ci?? º?? F? 1 qi?? 90º???? F? i? 1???? Donde? = inclinación de la carga sobre la cimentación con respecto a la vertical. 2 2 Fuente: Meyerhof

38 26 Figura 7. Factores de capacidad de carga para la ecuación general de capacidad portante de Meyerhof. Fuente: Meyerhof, Efecto de las propiedades del suelo (Terzaghi y Meyerhof) Como se puede ver en la ecuación general, la capacidad de carga depende del ángulo de fricción interno, del peso específico del suelo, del ancho de la cimentación, de la cohesión y de la sobrecarga. El ángulo de fricción interna es el que tiene mayor influencia, porque los tres factores aumentan rápidamente con sólo un pequeño aumento en este ángulo. Si el ángulo de fricción interna es cero, como en el caso de las arcillas saturadas sometidas a esfuerzo cortante sin drenaje, los factores de

39 capacidad de carga varían notablemente, anulándose completamente el primer término de la fórmula general, ya que N???se hace muy pequeño y solamente la cohesión y el sobrepeso contribuyen materialmente a la capacidad de carga. En este caso, y para fines prácticos, en la arcilla saturada, La ecuación de Terzaghi queda de la siguiente manera, (véase anexos, tabla 11 y figura 23): 27 qu? CNc? qnq (II.2.6) Tomando en cuenta las mismas condiciones anteriores del suelo, la ecuación general de capacidad portante de Meyerhof, toma la forma (carga vertical), (véase anexos, tabla 12 y figura 23): qu? CNcFcsFcd? q (II.2.7) Se deben tomar en cuenta las correcciones, dependiendo de la forma de la fundación. La ecuación general de capacidad portante depende del peso específico del suelo. Cuando la zona de esfuerzo cortante está por arriba del nivel freático, se usa para los cálculos el peso específico total del suelo, pero cuando el nivel freático está por arriba de la parte inferior del cimiento, debe

40 usarse el peso específico del suelo sumergido???????, siendo?? el 28 peso específico del agua que es igual a 1 Ton/m 3??? II Ecuación para la Capacidad de carga última neta según Skempton. Skempton, en 1951, propuso una ecuación para la capacidad de carga última únicamente para suelos arcillosos para condiciones de carga no drenadas (??= 0), quedando de la siguiente manera, (véase anexos, tabla 13 y figura 23):? Df?? B? qu? 5C 1? 0,2 1? 0,2?? Df B?? L???? (II.2.8) B = ancho del cimiento. C = Su = resistencia al corte del suelo. Df = profundidad de la fundación??? peso específico del suelo. En caso de ser una fundación circular: B/L = 1 Para los anális is objeto de este estudio se utilizarán las ecuaciones de capacidad portante para fundaciones superficiales y profundas con las teorías antes descritas según corresponda. A tal efecto se emplearán los factores de

41 29 capacidad adecuados para obtener el rango en el que se encontrará el valor real de capacidad portante. Lo anterior se debe a que la diferencia entre fundación superficial y profunda no está definido en forma taxativa y que el gran tamaño de los bulbos introducen incertidumbre en este sentido. II Capacidad portante por asentamiento. Todo suelo que soporta una carga experimenta un asentamiento, cuya magnitud depende de la intensidad de la carga y de la compresibilidad del suelo. En general, los asentamientos han sido siempre motivo de preocupación para los profesionales de la construcción, ya que obras de gran envergadura e incalculable valor histórico, han sufrido deterioro y ruina por su causa. La magnitud de los asentamientos que pueden sufrir las fundaciones debe ser calculada con la mayor exactitud posible para la mayoría de las obras de ingeniería, pues en el caso de asentamientos considerables afecta no sólo la apariencia de la obra, sino que pueden ocurrir fallas estructurales que originen la pérdida parcial o total de funcionalidad o el colapso de sus elementos resistentes. Las arcillas sufren parte de su asentamiento cuando se aplican las cargas, pero siendo plásticas, continúan consolidándose lentamente y en forma

42 decreciente por largos períodos de tiempo a medida que expulsan el agua de sus poros. 30 El asentamiento de una cimentación se divide en dos categorías principales: (a) asentamiento elástico o inmediato y (b) asentamiento por consolidación. El inmediato o elástico de una cimentación tiene lugar durante o inmediatamente después de la construcción de la estructura. El asentamiento por consolidación ocurre a lo largo del tiempo. El agua de los poros es expulsada de los espacios vacíos de los suelos arcillosos saturados sumergidos en agua. El asentamiento total de una cimentación es la suma de los asentamientos elásticos y por consolidación. Para el caso que se ocupa en este trabajo, ambos asentamientos deben ser tomados en cuenta si se trata de utilizar las fundaciones para obras de infraestructura que soporten cargas durante períodos similares a la vida útil de la estructura. Sin embargo, cuando se trata de cargas de corta duración, el asentamiento por consolidación es poco probable que ocurra, debido a la poca permeabilidad de la arcilla, por lo que el asentamiento inmediato sería el único a considerar.

43 Ahora bien, como este tipo de fundaciones está pensado principalmente para taladros, los cuales si bien pueden ejercer grandes cargas sobre el suelo, tienen una duración de unos pocos meses, el asentamiento inmediato resulta de mayor importancia. En tal sentido, el análisis presentado aquí contemplará solamente el asentamiento inmediato. No obstante para el caso de estructura con carga de mayor duración, será necesario considerar los asentamientos por consolidación. 31 Para hallar la capacidad portante de una cimentación, se escoge la menor entre capacidad portante por carga última entre un factor de seguridad (generalmente es 3) y la capacidad portante por asentamiento: Q? Qu /3????? o?? Q?? s? II Asentamiento elástico basado en la teoría de la elasticidad. El asentamiento elástico de una cimentación superficial se estima usando la teoría de la elasticidad.

44 Teóricamente, si la profundidad de la cimentación D? 0, H??, como es el caso del perfil geotécnico al cual se hace referencia con anterioridad, refiriéndose a arcillas homogéneas, y la cimentación es perfectamente flexible, de acuerdo con Harr (1966), el asentamiento elástico se expresa como, (véase figura 8): f 32 S e Bq E o?? s 2? 1? s?? 2 (esquina de la cimentación flexible) (II.2.11) S Bq o e?? Es 2? 1 s??? (centro de la cimentación flexible) (II.2.12) Figura 8. Asentamientos elásticos de cimentaciones flexibles y rígidas. Fuente: Harr, donde:

45 33 B = ancho de la cimentación. q o = carga neta por área unitaria. E s = módulo de elasticidad del suelo.? s =relación de Poisson del suelo ?? 1? m? m?? 1? m? 1????? ln? m ln?? m m 1 m 1?????????? L m? B (véase figura 9) (II.2.13) (II.2.14) L = longitud de la cimentación. Figura 9. Valores de????? prom y? r Fuente: Harr, 1966.

46 34 Sin embargo, si la cimentación mostrada en la figura 8 es rígida, el asentamiento inmediato será diferente y se expresará como: S Bq???? 2? 1? o e s r Es (cimentación rígida) (II.2.15) Los valores de? r para varias relaciones de L/B de cimentación, también se muestran en la figura 9. En el caso de la tecnología propuesta, calcularemos el asentamiento elástico para una cimentación rígida, utilizando la ecuación (II.2.15) y tomando en cuenta valores aproximadas para una arcilla blanda, además de utilizar un? para una cimentación circular, (véase anexos, tablas 14, 15, 16 y figuras 24,25,26 respectivamente). Entre los valores que se utilizarán para el cálculo, se encuentran los siguientes:? s = 0.5 E s = 300Su. El valor de Su se toma a una profundidad Z más B, ya que la zona de influencia del asentamiento, bajo la cimentación es de dos veces el ancho

47 B de la misma, entonces se toma un promedio de 2B, el cual sería B, (véase figura 10). 35 Figura 10. Valor de Su a una profundidad media de la zona de influencia del asentamiento. Fuente: Elaboración propia. Rango para los parámetros del material para calcular asentamientos elásticos. Las secciones anteriores presentaron las ecuaciones para calcular el asentamiento inmediato de una cimentación, que contienen parámetros elásticos, como E s y? s. si los resultados de pruebas de laboratorio para esos parámetros no están disponibles, deben hacerse varias hipótesis realistas. A continuación se muestra el rango aproximado de los parámetros elásticos para varios tipos de suelos, (véase tabla 5).

48 Tipo de suelo Tabla 5 Parámetros elásticos para varios suelos. Módulo de elasticidad, E s Lb/pulg 2 MN/m 2 Relación de Poisson,? s Arena suelta Arena densa media Arena densa Arena limosa Arena y grava Arcilla blanda Arcilla media Arcilla firme Fuente: Mitchell y Gardner, como: El módulo de elasticidad de arcillas normalmente consolidadas se estima Es? 250C a 500C y para arcillas preconsolidadas, como: Es? 750C a 1000C donde C? cohesión no drenada de la arcilla. II Asentamiento por consolidación.

49 Como se mencionó antes, el asentamiento por consolidación se da a lo largo del tiempo, y ocurre en suelos arcillosos saturados cuando son sometidos a una carga creciente causada por la construcción de una cimentación. 37 Las ecuaciones de asentamiento por consolidación se muestran a continuación: S c? CH c 1? e c o log p o?? p p o prom (para arcillas normalmente consolidadas) (II.2.17) S c? CH s 1? e c o log p o?? p p o prom (para arcillas preconsolidadas con po?? pprom? pc) (II.2.18) CH s c pc CH p c c o?? p Sc? log? log 1? e p 1? e p o o o c prom (para arcillas preconsolidadas con po? pc? po?? pprom ) (II.2.19) donde: p o = presión efectiva promedio sobre el estrato de arcilla antes de la construcción de la cimentación.? p prom = incremento promedio de la presión sobre el estrato de arcilla causada por la construcción de la cimentación. p c = presión de preconsolidación. e o = relación de vacíos inicial del estrato de arcilla. C c = índice de compresión = 0.009( LL? 10).

50 38? LL? G?? C s = índice de expansibilidad = H c = espesor de la capa de arcilla. LL = límite líquido. G s = peso especifico de los sólidos del suelo. s.

51 39 Capítulo III.- Marco metodológico. Los aspectos de interés que pueden ser evaluados en un análisis de factibilidad técnica de una fundación como la planteada en este trabajo son: 1.- Capacidad portante de la fundación. 2.- Estabilidad de la cavidad antes del vaciado del bulbo. 3.- Estabilidad estructural de la fundación. La capacidad portante de la fundación se realizará con los métodos descritos en el capítulo II, de manera de obtener un rango confiable para este tipo de parámetro. Debido a que algunas de las fundaciones pueden desplantarse a profundidades que pueden hacer que se consideren como profundas, en esos casos se consideran las capacidades portantes como fundación somera y como fundación profunda. III.1.- Generación o construcción de la cavidad. Para poder construir los bulbos objeto de esta tecnología se ejecutarán una serie de cavidades a diferentes profundidades, que posteriormente serán rellenadas con concreto.

52 Para poder realizar estas cavidades se ha diseñado un mecanismo de inyección de agua a presión, que consta de una sonda de perforación, la cual posee, en su extremo ascendente, varias ramificaciones culminando con una boquilla de un diámetro específico, que aumenta la velocidad del agua, alcanzando así mayor velocidad. El agua inyectada proviene de una bomba de desplazamiento positivo ubicada en la superficie. Primeramente se perforará verticalmente, hasta llegar a una profundidad deseada. Una vez alcanzada esta ubicación se procederá a expandir la cavidad en forma horizontal, haciendo girar la sonda, que será controlada desde la parte superior, de manera de crear una socavación con una geometría ovalada, donde el radio horizontal sea aproximadamente el doble de la altura del óvalo, como mucho. Ya que el proceso de inyección será patentado por INTEVEP, no se detallarán las especificaciones de dicha tecnología, ya que es confidencial. 40 III.2.- Evaluación de la estabilidad de la cavidad a construir. III.2.1. Estabilidad del techo de la cavidad. Debido que al excavar se produce un cambio en el estado de esfuerzos en el suelo, debajo y a los lados del espacio excavado, la propia masa de suelo

53 41 alrededor de la excavación debe ser analizada como una fundación para evaluar la estabilidad de dicha excavación. Como ningún material puede sufrir un cambio de esfuerzo sin las deformaciones correspondientes, la excavación siempre está asociada con movimientos de la superficie del terreno adyacente. En el caso de la tecnología sugerida en este trabajo de grado, la excavación no será a cielo abierto, sino que se excavará una cavidad a cierta profundidad de la superficie, mediante la inyección de agua a presión como se explicó anteriormente. Esto hace que la cavidad se vea afectada por el suelo que se encuentra por encima de ésta, ya que el sobrepeso (W) tratará de deformar el techo de la cavidad. Para que no ocurra el colapso del techo, las fuerzas que se oponen al movimiento y favorecen el equilibrio, son: la ejercida debido a la cohesión del suelo (Fy) en la periferia de la masa que se mueve hacia abajo y la influencia del agua que se encuentra dentro de la cavidad (u), ejerciendo presión contra todas las paredes de la misma, (véase figura 11). Estas fuerzas que intervienen en el equilibrio del hoyo vienen dadas por las siguientes ecuaciones, las cuales son funciones del radio del hoyo (r) y de la altura del hoyo (h): W 2??? r h (Fuerza debido a la carga del suelo) (III.2.1)

54 42 Fy? 2? rhsu (Fuerza debido a la cohesión) (III.2.2) u 2? r h (Fuerza debido a la presión del agua) (III.2.3)??? Fy h W Fy V =?? x r 2 x h A = 2? x r x h u r H H u r cavidad Fuente: Elaboración propia. Figura 11. Fuerzas que actúan en el equilibrio del hoyo. Relacionando estas tres ecuaciones con el factor de seguridad, se obtiene lo siguiente: FS FS Fy? u? (III.2.4) W 2 2? rhsu???? r h 2? (III.2.5)?? r h

55 43 FS 2 Su???? (III.2.6)? r? Si se toma como factor de seguridad FS = 1 y se despeja el radio de la fórmula anterior, quedaría de la siguiente manera: r = 2 Su???? (III.2.7) Como ya se dijo en el capítulo del perfil geotécnico, en la Costa Oriental del Lago, zona en la cual se pretende ejecutar dicha fundación; la resistencia al corte del suelo (Su) depende del esfuerzo vertical efectivo (?? v), obteniendo un valor de Su del 20% del?? v, dependiendo este, a su vez, del peso específico del suelo? y de la profundidad de la fundación Z (véase anexos, tabla 9 y figura 22): Su = 0,20? 'v = 0,20 (???? ) Z (III.2.8) Se toma la resistencia al corte a la mitad de la profundidad y como ésta varía linealmente, se puede usar el promedio de la misma: Su? Su /2 (III.2.9) Sustituyendo esto en la ecuación (III.2.7): r? (0,20)(???? ) Z???? (III.2.10)