Ing. Angel R. Huanca Borda UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE DE ICA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES CAPACIDAD PORTANTE DE FUNDACIONES
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. UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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 UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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 UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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. UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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. UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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 = 3S 0.7, 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. UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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 UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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 UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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 l ρ ρ mín ρ màx δ ρ màx ρ mín ρ = ρ máx ρ mín ρ = ρ máx ρ mín ρ δ Distorsión angular = = l l Distorsiónangular = (a) (b) (c) ρ δ = l l TIPOS DE ASENTAMIENTO: a) ASENTAMIENTO UNIFORME b) VOLTEO c) ASENTAMIENTO NO UNIFORME
ASENTAMIENTO ADMISIBLE Tipo de movimiento Asentamiento total Inclinación o giro Asentamiento diferencial 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 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 ladrilo Límite de seguridad para muros de ladrilloflexibles h / l < 1/4 Límite correspondiente a daños estructurales en edificios Distorsión severa del pórtico Ref.(Bjerrum,1963)
ASENTAMIENTO DE ESTRUCTURAS CIMENTADAS SOBRE ARENA 1 10,000 10 Distorsión máxima, (δ / l ) 1 5,000 1 3,000 1 1,000 1 500 1 300 0 2 4 6 8 10 Asentamiento diferencial máximo, (cm) 8 6 5 4 2 0 0 2 4 5 6 8 10 12 Asentamiento diferencial máximo, (cm) (a) 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. UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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. UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
Falla general por corte: q d = cn c + γd f N q + 1 2 γ BN γ Carga por unidad de área: q = 1.2cN + γd N + ds c f 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 1 q ult = cn c + γ B Nγ + 2 q N q d Q B Factores de capacidad de Carga para suelos Densos N c Nq Nγ = cotg φ ( Nq 1) π tgφ 2 φ = e tg (45 + ) 2 = 2tg φ ( Nq + 1) (Caquot y Kerisel,1953) B C, φ, γ suelo q ult q = γd
Franja cargada, ancho B Carga por unidad de área de cimentación Zapata cuadrada de ancho B Falla general por corte: 1 qd = cnc + γd f N q + γ BN 2 Falla local por corte: q 2 3 1 2 d = cnc + γd f Nq + γ BNγ Carga por unidad de área: qds = 1.2cNc + γd f Nq + 0. 4 γ BN γ γ Superficie aspera B Peso unitario de terreno = γ Resistencia al corte unitario S = C + P tan φ D f 40 N q N' q N' γ 30 N c N' c N γ VALORES DE φ 20 10 φ = 45, N γ = 240 0 60 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 VALORES DE N c y N q 5.14 1.00 VALORES DE Nγ CARTA MOSTRANDO LA RELACIÓN ENTRE φ Y FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA:
Factores de Forma (Vesic, 1973) 1 q ult = Sc cnc + S γ γ B N γ + 2 Sq q Nq Forma φ o S c S γ S q 1 + ( Nq / Nc) ( B / L) 1-0.4 (B/L) 1 + tg φ (B/L) RECTANGULAR 0 30 45 1 + 0.20 (B/L) 1 + 0.61 (B/L) 1 + 1.01 (B/L) 1.00 1 + 0.58 (B/L) 1 + 1.00 (B/L) 1+ ( Nq / Nc) 0.60 1 + tg φ CIRCULAR O CUADRADA 0 30 45 1.20 1.61 2.01 1.00 1.58 2.01 Carga Excéntrica e Inclinada (Meyerhof, 1953) B Q v Q ( q ) ult v Qv B (1 2e ) B (1 ) φ 1 γ BN 2 2 2 = = γ 2e + (1 ) (1 ) B 90 2 qnq e
FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA 1.04 1.07 1.11 1.15 1.19 1.04 1.08 1.12 1.15 1.20 330.35 403.67 496.01 613.16 762.89 158.51 187.21 222.31 265.51 319.07 152.10 173.64 199.26 229.93 266.89 46 47 48 49 50 0.87 0.90 0.93 0.97 1.00 0.88 0.91 0.94 0.97 1.01 130.22 155.55 186.54 224.64 271.76 73.90 85.38 99.02 115.31 134.88 83.86 93.71 105.11 118.37 133.88 41 42 43 44 45 0.73 0.75 0.78 0.81 0.84 0.75 0.77 0.80 0.82 0.85 56.31 66.19 78.03 92.25 109.41 37.75 42.92 48.93 55.96 64.20 50.59 55.63 61.35 67.87 75.31 36 37 38 39 40 0.60 0.62 0.65 0.67 0.70 0.63 0.65 0.68 0.70 0.72 25.99 30.22 35.19 41.06 48.03 20.63 23.18 26.09 29.44 33.30 32.67 35.49 38.64 42.16 46.12 31 32 33 34 35 0.49 0.51 0.53 0.55 0.58 0.53 0.55 0.57 0.59 0.61 12.54 14.47 16.72 19.34 22.40 11.85 13.20 14.72 16.44 18.40 22.25 23.94 25.80 27.86 30.14 26 27 28 29 30 0.38 0.40 0.42 0.45 0.47 0.45 0.46 0.48 0.50 0.51 6.20 7.13 8.20 9.44 10.88 7.07 7.82 8.66 9.60 10.66 15.82 16.88 18.05 19.32 20.72 21 22 23 24 25 0.29 0.31 0.32 0.34 0.36 0.37 0.39 0.40 0.42 0.43 3.06 3.53 4.07 4.68 5.39 4.34 4.77 5.26 5.80 6.40 11.63 12.34 13.10 13.93 14.83 16 17 18 19 20 0.19 0.21 0.23 0.25 0.27 0.31 0.32 0.33 0.35 0.36 1.44 1.69 1.97 2.29 2.65 2.71 2.97 3.26 3.59 3.94 8.80 9.28 9.81 10.37 10.98 11 12 13 14 15 0.11 0.12 0.14 0.16 0.18 0.25 0.26 0.27 0.28 0.30 0.57 0.71 0.86 1.03 1.22 1.72 1.88 2.06 2.25 2.47 6.81 7.16 7.53 7.92 8.35 6 7 8 9 10 0.02 0.03 0.05 0.07 0.09 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.07 0.15 0.24 0.34 0.45 1.09 1.20 1.31 1.43 1.57 5.35 5.63 5.90 6.19 6.49 1 2 3 4 5 0.00 0.20 0.00 1.00 5.14 0 tg φ Nq/Nc Nγ Nq Nc φ (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. Tendriamos: φ = arc Tan (2/3 tan φ) q 2 3 1 2 d = cnc + γd f Nq + γ BNγ
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.
Factores de capacidad de carga N y Nq 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Muy suelta Suelta Media N N Compacta Nq Muy com pacta 0 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 Angulo de fricción interna,o (grados) / 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Penetración estándar N (golpes/30 cm ) Capacidad Portante de Zapatas en Arena Factores de capacidad de carga teniendo en cuenta la fala local. Ref.(Peck,Hansen 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. q adm = (0.0864 N 0.108)(B + 0.30) 2 *f E *f NF * f δ * f Df B UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
Para B < 1.20 m. q adm = (0.135 N 0.169) *f E *f NF * f δ * 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. UNICA/FIC/GEOTECNIA/HUANCA BORDA/2005
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) Teng (1962) C N = Correction Factor C (2) 50 10 + σr N Units of σ (3) psi Bazaraa (1967) C N = 4 1 + 2σr 4 3.25 +0.5σ r σ r < 1.5 σ r > 1.5 ksf Peck, Hansen, and Thornburn (1974) Seed (1976) Seed (1979) C N = 0.77 log 10 20 C N = Ver Fig. 1(b) σr 1-1.25 log 10 σ r tsf tsf tsf Tokimatsu and Yoshimi (1983) C N = 1.7 0.7 + σr kg/cm5 Effective Overburden Stress σ - V - TSF 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 1 2 3 4 5 Tokimatsu and Yoshimi (1983) (Dashed Line) Seed (1976) SPT Correction Factor C N Bazaraa (1967) Teng (1962) Inconsistent (a) Effective Overburden Stress σ - V - TSF 0 1 2 3 4 5 SPT Correction Factor C N 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Bazaraa (1967) Peck, Hansen and Thornburn (1974) Seed (1979) Dr 40-60% Dr 60-80% Consistent (b) Ensayos In-Situ - SPT 0 SPT Correction Factor C N 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Effective Overburden Stress σ - V - TSF 1 2 3 4 Bazaraa (1967) Seed (1967) Proposed CN Proposed CN (Dashed Line) 1 σ v σv in units of TSF 5 Comparison of Proposed C with Bazaraa (1967) and Seed (1969) Correction Factors N
0 5 10 15 20 25 30 70 70 60 60 50 φ = 50 φ = 45 50 SPT N 40 φ = 40 40 30 30 20 φ = 35 20 10 φ = 30 φ = 25 10 Ensayos In-Situ 0 0 0 5 10 15 20 25 30 σ Ton/m 5 vo Efecto de Sobrecarga en Angulo de Fricción (De Mello, 1970) (De Mello, 1970) Densidad Dr % SPT N Cono Holandés q (TSF) u φ Muy Suelta < 20 < 4 < 20 < 30 Suelta 20-40 4-10 20-40 30-35 Compacta 20-60 10-30 40-120 35-40 Densa 60-90 30-50 120-200 40-45 Muy Densa > 60 > 50 > 200 > 45 Relación de Densidad y Angulo de Fricción (Meyerhof, 1953)
Ensayos In-Situ Resistencia a la penetración standard N(golpes por 300 mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 Muy Suelto Suelto Medio denso Denso Muy Denso 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