capacidad portante

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

FACULTAD DE INGENIERÍA


MÓDULO MECÁNICA DE SUELOS Presentado por: Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería – Ingeniería – UCV UCV

Decano de la Facultad de Ingeniería. Mg. Ricardo Delgado Arana. Director de la Escuela de Ingeniería Civil. Mg. Ricardo Delgado Arana. Docente del Curso. Ing. Sheyla Cornejo Rodríguez Agosto 2013

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ING. SHEYLA Y. CORNEJO RODRIGUEZ



CIMENTACIONES GENERALIDADES Hacer una edificación no importa cuál sea su tamaño y el destino que se le va a dar, requiere necesariamente del conocimiento geotécnico del terreno de cimentación, con el fin de determinar cuáles serán las deformaciones y riesgos de falla que pudiera presentar y cuál será la cimentación que más se ajuste a las condiciones del terreno. La investigación de las deformaciones y riesgos de falla es del dominio del especialista en mecánica de suelos. Su conocimiento de los conceptos de carga muerta y carga viva debe ser claro, así como de los sometimientos externos a que puede estar sujeta la obra (fenómenos de geodinámica interna y externa u otras). Cada una de las estructuras, correspondientes, está en su parte inferior en contacto con el terreno, ya sea suelo o roca, lo que se conoce con el nombre de cimentación.

DEFINICIÓN DE CIMENTACIÓN Es la parte que soporta a una estructura y se considera como la transición o la liga entre el suelo y/o la roca subyacente. Sus características de diseño dependen de la estructura por construir, de las propiedades mecánicas del material del sitio y aun de factores de tipo económico. •

Permitir la transmisión de esfuerzos compatibles con la resistencia a la ruptura del terreno (conocimiento de capacidad de carga).

•

Limitar la importancia de los asentamientos y repartirlos mejor (conocimiento de asentamientos diferenciales).

TIPOS DE CIMENTACIONES A.-CIMENTACIONES SUPERFICIALES: Se trata de cimentaciones en las que la profundidad de desplante no es mayor que un par de veces el ancho del cimiento. a)

ZAPATAS AISLADAS O INDIVIDUALES: Es el agrandamiento de una columna en su base para reducir las presiones que se ejercen sobre el terreno, al aumentar el área en la que se distribuyen. El cimiento puede tener cualquier forma, 2




pero la cuadrada es la más económica desde el punto de vista de la construcción. Generalmente son de concreto reforzado.

b)

ZAPATAS CORRIDAS: Es un cimiento continuo que soporta un muro o tres o más columnas en línea recta. Se emplea para dar continuidad estructural, sobre todo en suelos de resistencia baja o cuando se transmitirán grandes cargas al suelo.

c)

ZAPATAS CONECTADAS: Cuando los elementos estructurales están unidas por vigas de conexión o denominada vigas de cimentación.

d)

LOSAS DE CIMENTACIÓN: Son un tipo de cimientos combinados que soportan más de tres columnas que no estén en línea recta y que proporcionan la máxima área de cimentación para un espacio determinado con la mínima presión en la cimentación y por tanto mayor seguridad contra la falla del suelo. Son utilizados cuando la resistencia del suelo es muy baja o cuando las cargas son muy altas.

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B.-CIMENTACIONES COMPENSADAS a)

CAJONES DE CIMENTACIÓN: Se emplean en terrenos compresibles para reducir la descarga neta y evitar así incrementos de presión en la masa del suelo que pudieran producir asentamientos intolerables. Hay tres tipos de cajones: •

Cimentaciones parcialmente compensadas. El peso de la estructura es mayor que el volumen de suelo excavado.

•

Cimentaciones compensadas. El peso de la estructura y el del volumen del suelo excavado son iguales y por ello no se alteran los esfuerzos.

•

Cimentaciones sobre compensadas. El peso del terreno excavado es mayor que el de la estructura y ésta tiende a emerger.

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C.-CIMENTACIONES PROFUNDAS Denominadas cimentaciones indirectas. Emplean elementos indirectos para transmitir las cargas al suelo.

A) PILOTES: Miembros estructurales con área de sección transversal pequeña, comparada con su longitud. Su diámetro varía entre 30 centímetros y un metro, se utilizan cuando se requiere: Transmitir las cargas de una estructura a través del suelo blando o a través del agua, hasta un estrato de suelo resistente que garantice el apoyo adecuado (por pilotes de punta). Distribuir la carga dentro de un suelo de gran espesor, por medio de la fricción lateral que se produce entre suelo y pilote (pilotes de fricción). Proporcionar el debido anclaje a ciertas estructuras (como tabla estacas) o resistir las fuerzas laterales que se ejerzan sobre ellas (como en el caso de un puente). En estas condiciones se suele recurrir a pilotes inclinados. Proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones, resistir el volteo de muros y presas de concreto o cualquier efecto que trate de levantar la estructura (pilotes de tensión). Alcanzar con la cimentación profundidades ya no sujetas a erosión, socavación y otros efectos nocivos.

FUNCIONES Y USOS: 

Transferir carga a través de estratos blandos



Repartir carga por fricción lateral



Proporcionar anclaje y carga horizontal



Evitar socavación



Proteger cimentación por excavaciones futuras



Cimentación en suelos expansivos y colapsables



Proteger estructuras marinas



Soportar muros de contención



Compactar el suelo

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TIPOS DE PILOTES De punta:

Desarrollan su capacidad de carga con apoyo directo en un estrato resistente.

Por su forma

De fricción

trabajo

Desarrollan su resistencia por la fricción lateral que de genera contra el suelo que los rodea.

Mixtos

Aprovechan a la vez los dos efectos anteriores.

Madera

Se usan poco en trabajos de importancia. Son los más usados en la actualidad, puede ser de sección llena o hueca de menor peso. Según sea el

Por el tipo

Concreto

material

procedimiento de construcción y de colocación de pueden ser prefabricados o bien colados en el lugar, en una excavación realizada previamente. Son de gran utilidad en aquellos casos en que la

Acero

hinca de pilotes de concreto se dificulte por la resistencia relativa del suelo, pues tienen mayor resistencia a los golpes de un martinete.

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B) PILAS, CILINDROS Y CAJONES. Solamente se distinguen de los pilotes por su mayor diámetro (creciente), el criterio para el cálculo de capacidad de carga y asentamientos es el mismo que para los pilotes. •

Pilas: diámetro de uno a dos metros.

•

Cilindros: de tres a seis metros de diámetro. Se hacen de concreto y están huecos en el centro.

•

Cajones profundos: paralelepípedos de concreto y huecos también.

CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO En cimentaciones se denomina capacidad portante a la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él. Técnicamente la capacidad portante es la máxima presión media de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzcan un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto la capacidad portante admisible debe estar basada en uno de los siguientes criterios funcionales: 

Si

la

función

del

terreno

de cimentación es

soportar

una

determinada tensión independientemente de la deformación, la capacidad portante se denominará carga de hundimiento. 

Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensión aplicada al terreno y la deformación sufrida por éste, deberá calcularse la capacidad portante a partir de criterios de asiento admisible.

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1. Modos de Falla por Capacidad Portante en Zapatas: 

Falla general por corte. (Terzagui, 1943)



Falla local por corte. (Terzagui, 1943; De Beer y Vesic, 1958)



Falla por corte punzonado. (De Beer y Vesic, 1958; Vesic, 1963)

1.1.Falla general por corte: (Arcillas duras y densas) 

Patrón de falla bien definido. (cuña de suelo y dos superficies de deslizamiento)



La superficie del terreno a la zapata se levanta y puede rotar (inclinándose).



La falla es violenta y catastrófica.



Generalmente ocurre en suelos “incompresibles” (suelos granulares densos y cohesivos de consistencia dura a rígida).



Zapata corrida:         



 

 

Cimiento circular:                 



Zapata cuadrada:                 

Dónde: qu =Resistencia a la rotura del suelo (Tn/m2 ; Kg/m2 ) C= Cohesión del suelo (Tn/m2; Kg/m2) ɣs= Peso específico del suelo (Tn/m3; Kg/m3 ; g/cm3) 8




Df= Profundidad de cimentación del suelo (m, cm) B=ancho estimado de la cimentación (m, cm) Nc= Nq=

valores adimensionales que dependen del ángulo de fricción

 =

1.2.Falla local por corte: 

Patrón de falla sólo está bien definido debajo de la zapata.



Tendencia visible al levantamiento del terreno alrededor de la zapata.



No se producirá un colapso catastrófico de la zapata ni una rotación de la misma.



Constituye un modo transicional entre falla general y falla por punzonado.



Zapata corrida:        



 

 

Cimiento circular:                  



Zapata cuadrada:                  

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En corte local:     Los coeficientes empíricos de soporte también pueden calcularse con las siguientes ecuaciones:

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CARTA MOSTRANDO LA RELAC IÓN ENTRE φ Y FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA En suelos cohesivos cuando Ø=0, se determina:

Kpy, es un factor que depende de Ø y afecta la magnitud de la capacidad portante del suelo. Sus valores se indican en la siguiente tabla:

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Capacidad portante de zapatas: La capacidad portante o de carga se determina en base a la fórmula de Terzaghi. Siendo la Capacidad Admisible para cimentaciones corridas y cuadradas calculada por las siguientes expresiones:

                  

 

Dónde: qu

: Capacidad última de carga.

σad

: Capacidad Portante Admisible en Kg./cm2.

F.S.

: Factor de Seguridad = 3

ɣs

: Peso específico volumétrico del suelo.

B

: Ancho de la Zapata o cimiento corrido en m.

Df

: Profundidad de la Cimentación.

Nc, Nq, Nɣ : Parámetros que son función de Ø Sc, Sy:

Factores de forma.

C

: Cohesión

1.3.Capacidad última de carga: (qu) Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga de cimentaciones superficiales, la cual dice que una cimentación es superficial si la profundidad Df de la cimentación es menor que o igual al ancho de la misma. Sin embargo investigadores posteriores han sugerido que cimentaciones con Df igual a 3 ó 4 veces el ancho de la cimentación se definen como cimentaciones superficiales.

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1.4.Capacidad portante Admisible: (σ adm) La capacidad portante depende del tipo de suelo (gravas, arenas, limos, arcillas o combinaciones de ellas), de las características de la cimentación y de la estructura, y del coeficiente de seguridad adoptado.

1.4.1. Factor de Seguridad: (FS) La capacidad de carga admisible, σadm, consiste una reducción de la capacidad de carga última con la aplicación de un factor de seguridad FS: 

Para cargas estáticas: 3,0.



Para solicitación máxima de sismo o viento (la que sea más desfavorable): 2,5.

 

 

La capacidad de carga última neta es la carga última, qu, menos el exceso de presión de sobrecarga producida por el suelo alrededor de la cimentación y puede utilizarse en caso que la diferencia entre el peso específico del suelo y el concreto sea considerada pequeña:

     Dónde: σneta

: Capacidad última de carga neta.

q

: ɣs. Df.

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 

   

1.5.Peso específico total o Volumétrico: (ɣS) 2.3.1. Peso específico volumétrico: Se extraen las muestras de la calicata en estudio según se muestra en el gráfico.

Cada muestra es extraída en forma de un cubo, del cual se determinan sus dimensiones en cm3 y su peso natural en gr. Φ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA Nc Nq Nq/Nc Tang Ø Nɣ 5.14 1 0 0.2 0.00 5.35 1.09 0.07 0.2 0.02 5.63 1.2 0.15 0.21 0.03 5.9 1.31 0.24 0.22 0.05 6.19 1.43 0.34 0.23 0.07 6.49 1.57 0.45 0.24 0.09 6.81 1.72 0.57 0.25 0.11 7.16 1.88 0.71 0.26 0.12 7.53 2.06 0.86 0.27 0.14 7.92 2.25 1.03 0.28 0.16 8.35 2.47 1.22 0.3 0.18 8.8 2.71 1.44 0.31 0.19 15



12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

9.28 9.81 10.37 10.98 11.63 12.34 13.1 13.93 14.83 15.82 16.88 18.05 19.32 20.72 22.35 23.94 25.8 27.86 30.14 32.67 35.59 38.64 42.16 46.12 50.59 55.63 61.35 67.87 75.31 83.86 93.71 105.11 118.37 133.88 152.1 173.64 199.26 229.93 266.89


2.97 3.26 3.59 3.94 4.34 4.77 5.26 5.8 6.4 7.07 7.82 8.66 9.6 10.66 11.85 13.2 14.72 16.44 18.4 20.63 23.18 26.09 29.44 33.3 37.75 42.92 48.93 55.96 64.2 73.9 85.38 99.02 115.13 134.88 158.51 187.21 222.31 265.51 319.07

1.69 1.97 2.29 2.65 3.06 3.53 4.07 4.68 5.39 6.2 7.13 8.2 9.44 10.88 12.54 14.47 16.72 19.34 22.4 25.99 30.22 35.19 41.06 48.03 56.31 66.19 78.03 92.25 109.41 130.22 155.55 186.55 224.64 271.76 330.35 403.67 496.01 613.16 762.89

0.32 0.33 0.35 0.36 0.37 0.39 0.4 0.42 0.43 0.45 0.46 0.48 0.5 0.51 0.53 0.55 0.57 0.59 0.61 0.63 0.65 0.68 0.7 0.72 0.75 0.77 0.8 0.82 0.85 0.88 0.91 0.94 0.97 1.01 1.04 1.08 1.12 1.15 1.2

0.21 0.23 0.25 0.27 0.29 0.31 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.45 0.47 0.49 0.51 0.53 0.55 0.58 0.60 0.62 0.65 0.67 0.70 0.73 0.75 0.78 0.81 0.84 0.87 0.90 0.93 0.97 1.00 1.04 1.07 1.11 1.15 1.19 16




Factores de forma:

=  

    

= 

Ø

Forma

0 30 45

Rectangular

Circular o Cuadrada

0 30 45

 

 ∅

Sc 1+(Nq/Nc)(B/L) 1 + 0.20 (B/L) 1 + 0.61 (B/L) 1 + 1.01 (B/L) 1+(Nq/Nc) 1.20 1.61 2.01

=    

 

Sq 1 + tg φ (B/L) 1.00 1 + 0.58 (B/L) 1 + 1.00 (B/L) 1 + tg φ 1.00 1.58 2.01

Sγ

1+0.4 (B/L)

0.60

Angulo de Fricción y Cohesión (C): VALORES APROXIMADOS

Ø (º) 35 33 32 30 25 20

Gravas Compactadas Gravas Sueltas Arena Compactada Arena Suelta Limo Arenoso Arcilla Arenosa Arcilla Magra Arcilla Grasa 15 Arcilla Muy Grasa hasta Tierra Orgánica Ø: Angulo de fricción interna C: Cohesión ɣs: Peso Especifico

C ɣs 2 Kg/cm Tn/m3 2.0 0.01

2.0 1.8

0.02 0.05 0.10 0.50

2.2

2.2

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capacidad portante

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