Revist Geológic de Améric Centrl, 23: 17-23, 0 LA VARIACIÓN DE LA POSICIÓN DEL NIVEL FREÁTICO Y SU INFLUENCIA EN LA CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES: CASO ZAPATA CORRIDA INFINITA EN UN SUELO DE ORIGEN VOLCÁNICO, JUAN VIÑAS, CARTAGO, COSTA RICA. Rolndo Mor Ch. Escuel Centromericn de Geologí, Universidd de Cost Ric Aprtdo 2-14-2060-UCR E-mil: rmorch@sol.rcs.co.cr (Reciido 28/4/1999; Aceptdo 14/5/1999) ABSTRACT: In his study the modeling of the ering cpcity of volcnic soil is performed, considering the influence exerted y the vrition of the wter level. The clcultions hve een done for different footing widths, depths of foundtion nd wter level loctions. Finlly, description of the model results is presented. RESUMEN: En el presente estudio se reliz el modelje de l cpcidd de crg dmisile de un suelo de origen volcánico, con l considerción de l influenci que ejerce l vrición de l posición del nivel freático. Los cálculos se relizn pr diversos nchos de plc, profundiddes de cimentción y posiciones del nivel freático. Finlmente se descrien los resultdos otenidos con el modelo. INTRODUCCIÓN Son pocos los textos técnicos que trtn el tem de l influenci que puede tener l posición del nivel freático sore l cpcidd de crg dmisile (CCA) de cimentciones superficiles, por lo generl solo se hce referenci considerr el peso unitrio sumergido cundo l situción sí lo requier. Sin emrgo, l posición de nivel freático, en cominción con l profundidd de cimentción, el ncho de l fundción y sentmiento permisile, puede ser de sum importnci l hor de seleccionr el tipo de cimentción, tnto desde el punto de vist mecánico, como desde un punto de vist económico tmién. El presente estudio se h relizdo con l considerción de un suelo que se h clsificdo como un limo renoso (ML) de plsticidd intermedi (Mor & Grit, 1997), el cul es producto de l meteorizción de flujos lháricos. Este mteril se encuentr mplimente distriuido en los lrededores de l ciudd de Jun Viñs, cntón de Alvrdo en l provinci de Crtgo, Cost Ric, unos 40 km l sureste de Sn José (Fig. 1). Este depósito se h selecciondo pr el estudio pues present resistenci friccionnte y cohesiv, lo cul lo convierte en un cso genérico y no extremo en términos de l Mecánic de Suelos, demás este tipo de suelo es stnte común en el Vlle Centrl de Cost Ric, por lo que puede servir como cso comprtivo pr otros estudios. Con este mteril se model l CCA de un plc corrid infinit, utilizndo l teorí de Meyerhof (Szechy & Vrg, 1971; ACMSIF,
18 REVISTA GEOLÓGICA DE AMÉRICA CENTRAL 1994), y vrindo l profundidd de cimentción y el ncho de l fundción, todo pr niveles freáticos loclizdos vris profundiddes. En el segundo cso (Fig. 2) el nivel freático se encuentr entre el plno de cimentción y un profundidd no myor que un ves el ncho Nicrgu COSTA RICA Mr Crie SAN JOSÉ Jun viñs Océno Pcífico Pnmá Kilómetros Fig. 1: Uicción de l zon de estudio. CONSIDERACIONES RESPECTO AL PE- SO UNITARIO DEL SUELO De cuerdo con l posición del nivel freático con respecto l profundidd de cimentción, se pueden distinguir tres csos generles en los que se dee considerr l utilizción o no del peso unitrio sumergido del suelo (Fig. 2). En el primer cso (Fig. 2) el nivel freático se encuentr un profundidd igul o superior l profundidd de cimentción más un vez el ncho de l fundción. En este cso, l CCA de un plc corrid infinit se clcul según l siguiente expresión (Szechy & Vrg, 1971): σ dm = [(B/2)γ N + t γ N t + cn c ]/F s donde: B es el ncho del cimiento [m], γ el peso unitrio húmedo del suelo [kn/m 3 ], t l profundidd de cimentción [m], c l cohesión del suelo [kp], N, N t, N c los fctores de cpcidd de crg y F s el fctor de seguridd. Como se oserv, en l expresión nterior se utiliz solmente el peso unitrio húmedo del suelo. Fig. 2: Csos generles pr considerr l utilizción del peso unitrio sumergido: ) nivel freático un profundidd igul o superior l profundidd de cimentción más un vez el ncho de l fundción. ) nivel freático loclizdo entre el plno de cimentción y un profundidd no myor un vez el ncho de l fundción. c) nivel freático un profundidd inferior l plno de cimentción.
MORA: L vrición de l posición del nivel fretico y su influenci en... 19 de l fundción. En est ocsión se clcul l CCA con l expresión siguiente: σ dm = [(B/2)γ' N + t γ N t + cn c ]/F s donde: γ'= es el peso unitrio sumergido del suelo [kn/m 3 ]. Es decir, el primer término de l ecución hor consider l utilizción del peso unitrio sumergido del mteril. En el tercer cso (Fig. 2c) el nivel freático se encuentr un profundidd inferior l plno de cimentción, por lo que l CCA se clcul como sigue: σ dm = [(B/2)γ' N + t γ' N t + cn c ]/F s En est ocsión los dos primeros términos de l ecución considern l utilizción del peso unitrio sumergido del mteril. En el cudro 1 se precin los prámetros físicos y mecánicos del suelo, otenidos medinte ensyos de lortorio con muestrs inlterds, sí como los fctores de cpcidd de crg y fctor de seguridd utilizdos en el cálculo de l CCA. Cudro 1 Prámetros físicos y mecánicos, y fctores de cpcidd de crg del mteril estudido Ángulo de fricción intern 29 Cohesión 15 kp Peso unitrio húmedo 15,1 kn/m 3 Peso unitrio sumergido 5,3 kn/m 3 N 20 Nt 19 Nc 35 Fctor de seguridd 3,0 MODELAJE DE LA CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE El modelje de l CCA se h relizdo con l utilizción de l hoj de cálculo Corel Quttro Pro 7, en ell se hn insertdo ls ecuciones y ls funciones lógics necesris pr tomr en cuent cd un de ls considerciones hechs pr el peso unitrio del suelo en el prtdo nterior (Cudro 2). L CCA se h clculdo pr profundiddes de cimentción de 0,0; 0,5; 1,0; 1,5, y 2,0 m, sí como pr nchos de plc de 0,5; 1,0; 1,5 y 2,0 m; el cálculo se expres en form de mtriz, donde ls columns son los nchos de plc y ls fils ls profundiddes de cimentción. Culquier vlor intermedio entre los ntes menciondos, puede ser otenido por interpolción en el gráfico que l hoj de clculo present. El nivel freático puede modificrse introduciendo su loclizción en profundidd con respecto l superficie del terreno. Los prámetros del suelo y los fctores de cpcidd de crg se digitn en l sección superior de l hoj de cálculo, donde el único prámetro clculdo es el peso unitrio sumergido del suelo. Cudro 2 Hoj de cálculo utilizd pr el modelje de l cpcidd de crg dmisile. CAPACIDAD DE SOPORTE, TEORÍA: MEYERHOF (plc corrid infinit) Proyecto: Modelje de l cpcidd de crg de cimentciones superficiles Loclidd: Jun Viñs, Alvrdo, Crtgo, Cost Ric Tipo de suelo: Limo renoso (MI), (lhr meteorizdo) de plsticidd intermedi Relizó: R. Mor Fech: 03/04/99 Prámetros del suelo: Fctores de cpcidd de crg: Ángulo de fricción: 29 N: 20 Cohesión [kp]: 15 Nt: 19 Peso unitrio [kn/m 3 ]: 15,1 Nc: 35 Peso unit. sum. [kn/m 3 ]: 5,3 Nivel freático [m]: 4,50 Fctor de seguridd: 3,0 [m] 0,5 1,0 1,5 2,0 Profundidd [m] 0,0,2 225,3,5 275,7 0,5 248,0 273,2 298,3 323,5 1,0 295,8 321,0 346,1 371,3 1,5 343,6 368,8 394,0 419,1 2,0 391,4 416,6 441,8 466,9 DESCRIPCIÓN DE RESULTADOS Nivel freático 4,5 m de profundidd (Fig. 3): L posición del nivel freático es tl que
20 REVISTA GEOLÓGICA DE AMÉRICA CENTRAL no influenci el peso unitrio del mteril, l CCA se increment con l profundidd de cimentción y con el ncho de plc, y su comportmiento linel no sufre modificciones súits. Este comportmiento se present cundo l posición del nivel freático es superior 4,0 m. Nivel freático 4,0 m de profundidd (Fig. 3): El resultdo pr plcs de ncho de 0,5; 1,0 y 1,5 m es igul l cso nterior. L plc de 2,0 m de ncho sufre un disminución de l CCA prtir de 1,5 m de profundidd de cimentción, l cul lleg ser inferior l CCA de plcs de 1,0 y 1,5 m de ncho 2 m de desplnte y muy cercn l de un plc de 0,5 m de ncho. Nivel freático 3,5 m de profundidd (Fig. 4): L CCA de l plc de 0,5 m de ncho se mntiene sin modificciones, lo mismo que l plc de 1,0 m de ncho. L de 1,5 m de ncho present un disminución de su CCA prtir de 1,5 m de profundidd de cimentción, l cul se mntiene csi constnte hst 2,0 m de desplnte y lcnz un vlor similr l de un plc de 0,5 m de ncho l mism profundidd. L plc de 2,0 m de ncho muestr disminución de su cpcidd de crg prtir de 1,0 m de desplnte y se mntiene por dejo de l plc de 1,0 m de ncho prtir de un profundidd de cimentción de 1,5 m, demás, 2,0 m de desplnte lcnz un CCA stnte cercn l de ls plcs de 0,5 y 1,5 m de ncho. Nivel freático 3,0 m de profundidd (Fig. 4): L CCA de l plc de 0,5 m de ncho se mntiene invrile, no sí l de 1,0 m de ncho, Nivel freático: 4.5 m Nivel freático: 3.5 m 500 500 Nivel freático: 4.0 m Nivel freático: 3.0 m Fig. 3: Cpcidd de crg dmisile. ) nivel freático 4,5 m de profundidd. ) nivel freático 4,0 m de profundidd. Fig. 4: Cpcidd de crg dmisile. ) nivel freático 3,5 m de profundidd. ) nivel freático 3,0 m de profundidd.
MORA: L vrición de l posición del nivel fretico y su influenci en... 21 l cul cmi de pendiente prtir de 1,5 m de profundidd de cimentción y lcnz vlores inferiores l del resto de ls plcs 2,0 m. L plc de 1,5 m muestr un descenso de l CCA 1,0 m de desplnte, prtir de est profundidd su comportmiento es similr l de l plc de 0,5 m de ncho. L plc de 2,0 m de ncho present un descenso de su CCA prtir de 0,5 m de desplnte, de 1,0 1,5 m se mntiene por dejo de los vlores lcnzdos por l plc de 1,0 m de ncho y ligermente rri de l plc de 0,5 m de ncho. Nivel freático 2,5 m de profundidd (Fig. 5): L plc de 0,5 m de ncho se mntiene invrile hst 1,5 m de desplnte, pr posteriormente cmir de pendiente y estlecerse en 375 kp. L plc de 1,0 m de ncho present l myor CCA 1,0 m de profundidd de cimentción, pero es l Nivel freático: 2.5 m Nivel freático: 2.0 m Fig. 5: Cpcidd de crg dmisile. ) nivel freático 2,5 m de profundidd. ) nivel freático 2,0 m de profundidd. de menor CCA 1,5 m de desplnte. L plc de 1,5 m de ncho modific su comportmiento prtir de 0,5 m de desplnte, y ofrece los mismos vlores de CCA que l plc de 0,5 m de ncho entre 1,0 y 1,5 m de profundidd de cimentción. L plc de 2,0 m de ncho desrroll un CCA inferior l de plcs de 1,0 y 1,5 m de ncho un profundidd de cimentción de 0,5 m; 1,0 m de desplnte solo es superd por l plc de 1,0 m, luego se mntiene como l que rind l myor cpcidd de soporte de 1,25 2,0 m de desplnte. Nivel freático 2,0 m de profundidd (Fig. 5): L plc de 0,5 m de ncho modific su pendiente de 1,0 m 1,5 m de desplnte. L plc de 1,0 m de ncho muestr l myor CCA 0,5 m de desplnte, luego modific su pendiente hst 1,0 m de profundidd de cimentción. L plc de 1,5 m present un CCA constnte desde l superficie hst un desplnte de 0,5 m, luego tiene vlores similres los de l plc de 0,5 m de ncho hst un desplnte de 1,0 m. L plc de 2,0 m de ncho present vlores de CCA lgo superiores los de un plc de 0,5 m de ncho hst un desplnte de 1,0 m. A prtir de un profundidd de cimentción superior 1,25 m, tods ls plcs muestrn lo que podemos llmr un comportmiento norml, es decir l CCA se increment con l myor profundidd de cimentción y con el incremento en el ncho de plc. Nivel freático 1,5 m de profundidd (Fig. 6): Tods ls plcs presentn un descenso en l CCA muy mrcdo 2,0 m de profundidd de cimentción. L plc de 0,5 m de ncho muestr un comportmiento similr l de l plc de 1,5 m de ncho de 0,0 0,5 m de desplnte, luego su CCA sufre un cmio de pendiente hst 1,0 m de desplnte. L plc de 1,0 m de ncho present comportmientos extremos en l superficie y 0,5 m de profundidd de cimentción, en el primer cso es l de myor CCA y en el segundo es l de menor. L plc de 2,0 m de ncho muestr vlores de CCA inferiores los de l plc de 1,0 m hst 0,75 m de desplnte. Nivel freático 1,0 m de profundidd (Fig. 6): Tods ls plcs muestrn un descenso de l CCA prtir de un desplnte de 1,0 m, luego de este punto vuelven presentr un tendenci de incremento con el umento de l profundidd de
22 REVISTA GEOLÓGICA DE AMÉRICA CENTRAL Nivel freático: 1.5 m 360 340 320 320 Nivel freático: 1.0 m 180 Fig. 6: Cpcidd de crg dmisile. ) nivel freático 1,5 m de profundidd. ) nivel freático 1,0 m de profundidd. cimentción. L plc de 0,5 m de ncho present un CCA myor que l plc de 1,0 m de ncho entre profundiddes de cimentción de 0,0 y 0,25 m. Nivel freático 0,5 m de profundidd (Fig. 7): Tods ls plcs presentn l mism tendenci, disminuyen su CCA prtir de 0,5 m y hst 1,0 m de desplnte, pr luego incrementr en l medid en que se ument l profundidd de cimentción, pero con un pendiente menor en comprción con el trmo comprendido entre l superficie del terreno y 0,5 m. Nivel freático 0,0 m de profundidd (Fig. 7): En est situción ls plcs presentn el comportmiento típico de umento de l CCA con el incremento de l profundidd de cimentción y el ncho de plc. CONCLUSIONES L vrición de l posición del nivel freático tiene un influenci summente importnte en l cpcidd de crg dmisile de cimentciones superficiles. En lgunos csos, estructurs de cimentción de nchos menores pueden presentr un CCA myor que ls que cuentn con nchos myores, esto deido l uicción del nivel freático con respecto l estructur mism. Deido esto, el diseño de estructurs de cimentción dee considerr ls vriciones estcionles del nivel freático y sore todo estlecer cul puede ser el nivel más cercno l superficie que pued lcnzr. Con se en este tipo de Nivel freático: 0.5 m 180 Nivel freático: 0.0 m 180 Fig. 7: Cpcidd de crg dmisile. ) nivel freático 0,5 m de profundidd. ) nivel freático 0,0 m de profundidd.
MORA: L vrición de l posición del nivel fretico y su influenci en... 23 investigciones se puede estlecer el tipo de fundción más propido desde el punto de vist de su CCA, y demás, desde un punto de vist económico, se puede evitr invertir en estructurs que no rindn un mejorí significtiv en términos de CCA. REFERENCIAS ACMSIF, 1994: Código de Cimentciones de Cost Ric. - Asocición Costrricense de Mecánic de Suelos e Ingenierí de Fundciones. Crtgo. Ed. Tecnológic de Cost Ric. págs MORA, R. & GARITA, E., 1997: Estudio de estilidd de lders, Jun Viñs, Turril, Cost Ric. - Proyecto Geologí Amientl, Trjo Comunl Universitrio, Escuel Centromericn de Geologí, Universidd de Cost Ric. 21 págs. [informe interno]. SZÉCHY, K. & VARGA, L., 1971: Alpozás. - 545 págs. Müszki Könyvkidó, Budpest.