DISEÑOS GEOTECNICOS
ESTUDIO DE SUELOS Y CIMENTACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE DOCE (12) AULAS Y DOS (2) BATERIAS SANITARIAS EN LA INSTITUCION EDUCATIVA FRANCISCO JOSE DE CALDAS. VEREDA LA AGUADITA AGUADITA MUNICIPIO DE FUSAGASUGA - DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA.
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ESTUDIO DE SUELOS Y CIMENTACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE DOCE (12) AULAS Y DOS (2) BATERIAS SANITARIAS EN LA INSTITUCION EDUCATIVA FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS SEDE PRINCIPAL. VEREDA LA AGUADITA MUNICIPIO DE FUSAGASUGA - DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA. ESTUDIO GEOTÉCNICO
1.
INTRODUCCIÓN
La firma DISPROYEC DISPROYECTOS TOS LTDA contrató con JOSÉ MANUEL ÁLVAREZ LUGO Ingeniero Especialista y Magíster en Geotecnia, la elaboración del “Estudio de suelos y cimentaciones para la construcción de doce (12) aulas, dos (2) baterías sanitarias en la institución educativa Francisco José de Caldas sede principal. Vereda La Aguadita municipio de Fusagasuga - departamento de Cundinamarca”. El presente informe contiene el resumen de las actividades de campo y de oficina, realizadas, los análisis, resultados, conclusiones y recomendaciones, asociadas a la alternativa técnica y económicamente más favorable para el proyecto.
2.
ALCANCES
Se ha establecido como alcance general del presente informe, el diseño de la cimentación técnica y económicamente más conveniente para la construcción proyectada en el instituto educativo Francisco José de Caldas, para lo cual se satisfacen los siguientes alcances específicos: •
•
•
Realización de un completo programa de exploración del subsuelo, que que permita la caracterización física y mecánica de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el área del proyecto. Identificación de las propiedades físicas y mecánicas de los diferentes estratos que conforman el subsuelo dentro del área del proyecto, con el fin de elaborar el modelo geotécnico de diseño. Planteamiento del modelo modelo estratigráfico estratigráfico y ejecución de los análisis de capacidad capacidad portante portante y deformación, asociados a la determinación del sistema de cimentación para las estructuras de dos (2) niveles proyectados.
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3.
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DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO
La sede principal de la institución educativa Francisco José de Caldas, se encuentra ubicada en la vereda La Aguadita del municipio de Fusagasuga, al suroccidente del departamento de Cundinamarca. En la figura No.1 se muestra la localización general del proyecto.
Figura No. 1: Localización general del proyecto.
Actualmente se ha proyectado la construcción de doce (12) aulas y dos (2) baterías sanitarias, las cuales serán distribuidas en dos pisos, dispuestos sobre un lote de un área aproximada de 696,88m2. En las siguientes fotografías se presenta una panorámica del área en donde será desarrollada la construcción.
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3.
4.
Fotografía No. 1, 2, 3 y 4.: Vista general del área donde se proyecta la construcción de las aulas.
El área dispuesta para el desarrollo del proyecto se observa en las fotografías anteriores, la construcción de las aulas se distribuirá en cuatro (4) bloques, los bloques 1 y 2 se localizarán en la zona que se observa en las fotografías 3 y 4 alrededor de una casa familiar de 3 pisos, en donde actualmente se encuentra la huerta de la institución educativa, los bloques 3 y 4 se ubicarán en el área que se muestra en las fotografías 1 y 2. El área dispuesta para el proyecto se encuentra en una zona con abundante presencia de depósitos de coluvión y presenta pendientes variables entre 5 y 10º aproximadamente, en la parte alta del proyecto se encuentra la vía de acceso, y en la parte baja limita con taludes de pendientes que varían entre 25 y 35º, como se muestra en las siguientes fotografías. Según la ubicación de los bloques en la planta arquitectónica y especialmente los bloques 1 y 2, se observa la cercanía de estos en la parte baja con la corona del talud inferior, razón por la cual, se han analizado las condiciones de estabilidad de dicho talud.
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7. Fotografía No. 5, 6, y 7.: Talud zona baja del lote donde se proyecta la construcción de las aulas.
En la figura a continuación se presenta la planta arquitectónica de la institución educativa en donde se exhibe el sector en donde se adelantará la construcción de las aulas.
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Figura No. 2: Planta arquitectónica del proyecto (información suministrada)
4.
INVESTIGACION DEL SUBSUELO
Con el fin de determinar la estratigrafía del terreno en el sitio del proyecto, se llevó a cabo un programa de investigación del subsuelo, el cual comprendió la ejecución de exploraciones directas con equipo manual, así como un detallado programa de ensayos de laboratorio. 4.1. Exploración del Subsuelo Se efectuaron un total de cuatro (4) sondeos, realizados con equipo manual. Estas perforaciones alcanzaron una profundidad variable entre 1,20 y 2,80m. Los sondeos fueron definidos como (S1), (S2), (S3) y (S4). La relación de los sondeos efectuados y su localización en esta etapa del estudio es la que se presenta en la tabla y la figura a continuación:
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Sondeo No. S–1 S–2 S-3 S-4
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Profundidad (m) 2,20 2,80 2,70 1,20
Tabla No. 1.: Programa de exploración del subsuelo
Figura No. 3: Localización de Sondeos
Durante la ejecución de los sondeos fueron identificados y descritos visualmente los diferentes estratos. Recuperando muestras inalteradas en los suelos finos de consistencia blanda a media, mediante el tubo de pared delgada Shelby. Adicionalmente, en los suelos finos de consistencia media a firme y en los granulares se adelanto el ensayo de penetración estándar (SPT) con el fin de correlacionarlo con parámetros físicos y mecánicos, recuperando muestras alteradas con el tubo de cuchara partida (Split Spoon). En las siguientes fotografías se observan las labores de exploración adelantadas en las instalaciones de la Institución Educativa.
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11. Fotografías No. 8, 9, 10 y 11. Exploración del subsuelo
4.2. Ensayos de Laboratorio Todas las muestras obtenidas fueron identificadas visualmente en el laboratorio y sobre un número representativo de los diferentes materiales encontrados, se ejecutaron ensayos tendientes a conocer su comportamiento geomecánico. Las pruebas de laboratorio adelantadas fueron: •
Clasificación
Se emplean para identificar y clasificar los tipos de suelo dominantes en cada sitio explorado, y para desarrollar correlaciones entre propiedades básicas y parámetros de resistencia y deformabilidad. Entre los ensayos realizados se encuentran los límites de Atterberg y la composición granulométrica.
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Condiciones In situ
Permiten establecer las condiciones geostáticas del suelo natural, representando condiciones de frontera y características de los materiales fundamentales para el diseño. Fueron determinados la humedad natural y el peso unitario. Estas pruebas junto con las de clasificación, permiten establecer una primera aproximación al comportamiento mecánico de los materiales encontrados. •
Resistencia al Corte
Teniendo en cuenta que no fue posible la recuperación de muestras inalteradas, debido a la consistencia firme a dura de los estratos finos y a la presencia de importantes contenidos de arenas, se procedió a la ejecución del ensayo de penetración estándar (SPT) con el fin de correlacionarlo con parámetros de resistencia al corte no drenado. Estos parámetros, fueron establecidos con base en la correlación del SPT (Ensayo de Penetración Estándar) propuesta por Stroud and Butler (1974) . En el Anexo B se muestran las memorias de ejecución de los diferentes ensayos de laboratorio efectuados.
5.
PERFIL ESTRATIGRÁFICO PROMEDIO
Con base en los resultados derivados de la etapa de exploración del subsuelo y los ensayos de laboratorio, fue posible establecer la siguiente secuencia estratigráfica para el área del proyecto: •
•
•
Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad variable entre 0,05 y 0,10m, se detecta la presencia de la capa vegetal. Seguido del estrato anterior y hasta una profundidad variable entre 0,20 y 0,40m, se detecta un limo de color negro con presencia de material orgánico. A partir del estrato anterior y hasta una profundidad variable entre 0,90 y 2,20m, se reportan intercalaciones de arenas y gravas limo-arcillosas de color gris y carmelito claro, con presencia de sobre tamaños y material conglomerado, de humedad baja a alta, plasticidad baja a media, de compacidad media a densa en los granulares y consistencia firme a dura en la matriz, las cuales clasifican en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS como SM, SC, GW-GC, GM y GC. Poseen valores de humedad natural variables entre 10,1 y 43,8%, limite líquido entre 33,0 y 37,0%, índice de plasticidad entre 9,0y 15,0% y resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 10 y 37 golpes/pie, con excepción de 2 valores inferiores de 5 y 7 golpes/pies reportados en los sondeos No 3 y 2 respectivamente. 8
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Subyaciendo el estrato anterior y hasta la máxima profundidad de exploración variable entre 2,70 y 2,80m, se encuentra un material conglomerado con presencia de arenas y gravas limo arcillosas de color gris con presencia de sobre tamaños y bloques (Coluvion), de humedad media a alta, plasticidad media, compacidad muy densa en los granulares y consistencia dura en la matriz, la cual clasifica en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS como SC, GC y GM. Poseen valores de humedad natural variables entre 15,9 y 41,7%, limite líquido entre 34,0 y 36,0%, índice de plasticidad entre 10,0 y 13,0%, y resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 60 golpes/pie y el rechazo.
El nivel freático no fue reportado en las perforaciones realizadas.
6.
ANÁLISIS GEOTÉCNICO
Con base en las propiedades geotécnicas del sitio de proyecto y teniendo en cuenta tanto las condiciones de entorno como las características de las obras proyectadas, se llevó a cabo el diseño geotécnico mediante el análisis de capacidad portante. El análisis de resistencia se realizó mediante la ecuación general de capacidad portante. Los factores de capacidad portante y los factores de corrección por forma, profundidad de cimentación, nivel freático, excentricidad e inclinación de la carga, fueron establecidos mediante las propuestas de Meyerhoff (1963), Hansen y Vesic (1970) y Chen (1975), y su elección se basó en las conclusiones del trabajo “Factores de Capacidad Portante Para Cimientos Superficiales” (J.M. Álvarez, 1994), cuyos resultados fueron integrados mediante el programa de computador Cport.jmal con el cual fueron efectuados los análisis del presente estudio. Con el fin de considerar la incidencia de la geometría de la fundación y la profundidad de desplante se llevó a cabo un análisis de sensibilidad en el cual se contemplaron diferentes dimensiones de cimiento y relaciones ancho / largo (B/L). El nivel de cimentación se ha establecido de acuerdo a la magnitud de las cargas estructurales a una profundidad de 0,80m y de 2,20m con respecto a la superficie actual del terreno. Si durante el proceso de excavación se encuentran tramos puntuales en donde se presenten suelos orgánicos o materiales de rellenos de basuras y/o escombros, es necesario retirarlos en su totalidad y reemplazarlos por material seleccionado tipo sub- base granular debidamente compactado. No obstante, se recomienda apoyar los cimientos más cercanos al borde del talud a una profundidad mínima de 1,80m y a una distancia en la horizontal de 1,0m como mínimo con respecto al vértice del talud, con el fin de tener un adecuado confinamiento. Este análisis permitió establecer que la capacidad portante de trabajo para cimientos superficiales, para un factor de seguridad de 3,0, varía tal cual se relaciona en la tabla y figura a continuación:
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����� �� ����������� (��
��������� �������� � (��� �
0,80
12,20 – 16,10
2,20
25,40 – 39,50
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Tabla No. 2.: Capacidad portante de trabajo para cimientos superficiales
Figura No. 4.: Capacidad portante de trabajo nivel de cimentación 0,80m
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Figura No. 5.: Capacidad portante de trabajo nivel de cimentación 2,20m
El análisis de asentamientos se llevó a cabo mediante la Teoría Elástica y fue realizado de acuerdo con las propuestas existentes, fundamentadas en correlaciones entre el módulo de elasticidad, la relación de Poisson del material de fundación y coeficientes en función de la geometría del cimiento. Los módulos de elasticidad de los materiales para el análisis de asentamientos elásticos han sido establecidos con base en las correlaciones propuestas por Bowles (1982) y el U.S. Department of the Navy (1982). Con base en lo anterior, ha sido determinado el asentamiento elástico máximo esperado para la zona geotécnica, el cual se relaciona a continuación: Asentamiento máximo probable: 1,5cm
7.
COEFICIENTE DE REACCIÓN VERTICAL (Kv)
Con base en el análisis de asentamientos efectuado, ha sido posible establecer un coeficiente de reacción vertical para los dos niveles de cimentación como se relaciona en la tabla a continuación:
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����� �� ����������� (��
����������� �� �������� � �������� �� (��� �
0,80
973
2,20
2113
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Tabla No. 3.: Coeficiente de reacción vertical
8.
CONDICIONES SÍSMICAS DEL PROYECTO
De acuerdo con el perfil promedio del sitio, con la información existente en el estudio de riesgo sísmico (AIS-1984), los inventarios de fuentes sísmicas del país y especialmente con el contenido de la nueva versión del Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes (NSR-98), fue posible establecer que el área del proyecto se encuentra en una zona de riesgo sísmico Intermedio, con parámetros de aceleración horizontal Aa y Ad de 0,20 y 0,04 respectivamente y coeficiente de Sitio S igual a 1,50.
9.
COEFICIENTES DE PRESIONES LATERALES
Para el diseño de los elementos estructurales que soportan la acción de cargas generadas por materiales granulares de relleno, han sido realizados los análisis de esfuerzos laterales, los cuales fueron evaluados mediante la teoría clásica de Rankine, la cual se fundamenta en las teorías del equilibrio plástico , que en suelos se refiere a la condición en que cada punto en una masa de suelo está a punto de fallar. De la misma forma con base en la formulación pseudo-estática propuesta por Mononobe – Okabe, fueron determinados los coeficientes de presión de tierras para condición dinámica. De acuerdo a lo anterior, se recomienda utilizar diagramas de presiones laterales triangulares, propias de suelos friccionantes, considerando los siguientes parámetros: • • • •
Peso unitario del material de relleno: 2,0 t/m3 Angulo de fricción interna: 30º Coeficiente de presión activa (Ka): 0,33 Coeficiente de presión activa en condición dinámica, según planteamiento de Mononobe Okabe: 0,53 (0,20g)
Adicionalmente, será necesario tener en cuenta las sobrecargas debidas a las aulas, en caso de que estas queden sobre la corona de los muros proyectados. Los materiales de relleno, deberán seleccionarse de acuerdo con los lineamientos establecidos por el articulo No. 610 del Instituto Nacional de Vias (INVIAS) denominado 12
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“Relleno para estructuras”, garantizando como mínimo la colocación de materiales tipo “Adecuados”. Se recomienda la construcción de filtros en el espaldar de la totalidad de las estructuras, de lo contrario deberá tenerse en cuenta en los análisis estructurales las presiones hidrostáticas debidas al nivel freático.
10. ANÁLISIS CONDICIÓN DE ESTABILIDAD Con base en las observaciones de campo, y una vez definido el modelo estratigráfico para la zona del proyecto, se llevó a cabo el análisis de estabilidad, con el fin de verificar la condición de falla y validar las hipótesis resultantes de la interpretación de las manifestaciones de campo, así como de los resultados derivados de la etapa de exploración del subsuelo. Para tal efecto y haciendo uso de un modelo en elementos finitos mediante el programa de computador PLAXIS en su versión 8.0, el modelo geotécnico fue representado mediante un espacio bidimensional constituido con elementos de 15 nodos. El comportamiento mecánico de los estratos definidos fue establecido mediante un modelo de comportamiento tipo Mohr-Coulomb. El análisis de estabilidad de la condición actual del terreno, fue realizado con base en las secciones transversales suministradas, así como en la caracterización mecánica de los suelos determinados con base en las perforaciones localizadas en el área del proyecto, con el fin de establecer el factor de seguridad actual. En las gráficas siguientes se muestra el estado de esfuerzos y deformaciones del talud evaluado para el sector Eje 2 K0+050 en estudio:
Figura No. 6.: Diagrama de deformaciones totales, para condición estática
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Figura No. 7.: Diagrama de esfuerzos totales, condición dinámica.
En la tabla a continuación se relacionan los factores de seguridad para cada condición de análisis: ��������� �� ��������
������ �� ���������
Estático
2,00
Dinámica
1,36
Tabla No. 4.: Factores de seguridad
Con base en los resultados obtenidos es posible establecer que actualmente este talud posee condiciones adecuadas de estabilidad. Se recomienda apoyar los cimientos más cercanos al borde del talud a una profundidad mínima de 1,80m y a una distancia en la horizontal de 1,0m como mínimo con respecto al vértice del talud, con el fin de tener un adecuado confinamiento.
11. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De acuerdo a los resultados obtenidos del programa de exploración del subsuelo y de los ensayos de laboratorio, así como de los análisis y diseños efectuados, es posible emitir las siguientes conclusiones y recomendaciones: 11.1. Estratigrafía promedio Con base en los resultados derivados de la etapa de exploración del subsuelo y los ensayos de laboratorio, fue posible establecer la siguiente secuencia estratigráfica para el área del proyecto:
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Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad variable entre 0,05 y 0,10m, se detecta la presencia de la capa vegetal. Seguido del estrato anterior y hasta una profundidad variable entre 0,20 y 0,40m, se detecta un limo de color negro con presencia de material orgánico. A partir del estrato anterior y hasta una profundidad variable entre 0,90 y 2,20m, se reportan intercalaciones de arenas y gravas limo-arcillosas de color gris y carmelito claro, con presencia de sobre tamaños y material conglomerado, de humedad baja a alta, plasticidad baja a media, de compacidad media a densa en los granulares y consistencia firme a dura en la matriz, las cuales clasifican en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS como SM, SC, GW-GC, GM y GC. Poseen valores de humedad natural variables entre 10,1 y 43,8%, limite líquido entre 33,0 y 37,0%, índice de plasticidad entre 9,0y 15,0% y resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 10 y 37 golpes/pie, con excepción de 2 valores inferiores de 5 y 7 golpes/pies reportados en los sondeos No 3 y 2 respectivamente. Subyaciendo el estrato anterior y hasta la máxima profundidad de exploración variable entre 2,70 y 2,80m, se encuentra un material conglomerado con presencia de arenas y gravas limo arcillosas de color gris con presencia de sobre tamaños y bloques (Coluvion), de humedad media a alta, plasticidad media, compacidad muy densa en los granulares y consistencia dura en la matriz, la cual clasifica en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS como SC, GC y GM. Poseen valores de humedad natural variables entre 15,9 y 41,7%, limite líquido entre 34,0 y 36,0%, índice de plasticidad entre 10,0 y 13,0%, y resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 60 golpes/pie y el rechazo.
El nivel freático no fue reportado en las perforaciones realizadas. 11.2. Cimentación Recomendada La fundación de las estructuras proyectadas en el instituto educativo “Francisco José de Caldas”, se realizará mediante cimientos superficiales, cimentados a la profundidad previamente establecida de 0,80 y de 2,20m con respecto a la superficie actual del terreno y de acuerdo a la magnitud de las cargas estructurales. No obstante, se recomienda apoyar los cimientos más cercanos al borde del talud a una profundidad mínima de 1,80m (trabajando con la capacidad portante de cimientos desplantados a 0,80) y a una distancia en la horizontal de 1,0m como mínimo con respecto al vértice del talud, con el fin de tener un adecuado confinamiento. Si durante el proceso de excavación se encuentran tramos puntuales en donde se presenten suelos orgánicos o materiales de rellenos de basuras y/o escombros, es necesario retirarlos en su totalidad y reemplazarlos por material seleccionado tipo sub- base granular debidamente compactado. Con el fin de considerar en el análisis de capacidad portante la incidencia de la geometría de la fundación y la profundidad de desplante, se llevó a cabo un análisis de sensibilidad 15
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en el cual se contemplaron diferentes dimensiones de cimiento y relaciones ancho / largo (B/L), obteniendo los valores que se relacionan a continuación. El valor a utilizar en el diseño estructural será establecido con base en las figuras 6 y 7, en función de la geometría del cimiento
Figura No. 8.: Capacidad portante de trabajo nivel de cimentación 0,80m
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Figura No. 9.: Capacidad portante de trabajo nivel de cimentación 2,20m
11.3. Suelo de Cimentación Teniendo en cuenta la profundidad mínima de cimentación establecida previamente en 0,80 con respecto a la superficie actual del terreno, el suelo de cimentación corresponderá a intercalaciones de arenas y gravas limo-arcillosas de color gris y carmelito claro, con presencia de sobre tamaños y material conglomerado, de humedad baja a alta, plasticidad baja a media, de compacidad media a densa en los granulares y consistencia firme a dura en la matriz, las cuales clasifican en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS como SM, SC, GW-GC, GM y GC. Poseen valores de humedad natural variables entre 10,1 y 43,8%, limite líquido entre 33,0 y 37,0%, índice de plasticidad entre 9,0y 15,0% y resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 10 y 37 golpes/pie, con excepción de 2 valores inferiores de 5 y 7 golpes/pies reportados en los sondeos No 3 y 2 respectivamente. Y en el caso de la profundidad de cimentación de 2,0m, el suelo de cimentación corresponderá a un material conglomerado con presencia de arenas y gravas limo arcillosas de color gris con presencia de sobre tamaños y bloques (Coluvion), de humedad media a alta, plasticidad media, compacidad muy densa en los granulares y consistencia dura en la matriz, la cual clasifica en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS como SC, GC y GM. Poseen valores de humedad natural variables entre 15,9 y 41,7%, limite líquido entre 34,0 y 36,0%, índice de plasticidad entre 10,0 y 13,0%, y resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 60 golpes/pie y el rechazo. 17
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11.4. Otras Recomendaciones En el momento de la ejecución de las obras es necesario programar las actividades de tal manera que las excavaciones permanezcan abiertas el menor tiempo posible con el fin de evitar la degradación de las propiedades del suelo de fundación. Si una vez alcanzada la profundidad de cimentación se encuentra materia orgánica, rellenos de basura y/o desechos de construcción, es necesario retirarlos en su totalidad y reemplazarlos por material seleccionado debidamente compactado.
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ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN
1
2. ALCANCES
1
3. DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO
2
4. INVESTIGACION DEL SUBSUELO
5
4.1.
Exploración del Subsuelo
5
4.2.
Ensayos de Laboratorio
7
5. PERFIL ESTRATIGRÁFICO PROMEDIO
8
6. ANÁLISIS GEOTÉCNICO
9
7. COEFICIENTE DE REACCIÓN VERTICAL (KV)
11
8. CONDICIONES SÍSMICAS DEL PROYECTO
12
9. COEFICIENTES DE PRESIONES LATERALES
12
10.
ANÁLISIS CONDICIÓN DE ESTABILIDAD
13
11.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
14
11.1.
Estratigrafía promedio
14
11.2.
Cimentación Recomendada
15
11.3.
Suelo de Cimentación
17
11.4.
Otras Recomendaciones
18
ANEXOS FIGURAS
19
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ANEXO A MEMORIAS DE CÁLCULO ANEXO B ENSAYOS DE LABORATORIO
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