CAPITULO 8 – CIMENTACIONES CIMENTACIONES POCO PROFUNDAS Clasificación de las cimentaciones oco !of"ndas •
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Zapatas aisladas: son elementos estructurales, generalmente cuadrados o rectangulares que se construyen bajo las columnas con el objeto de transmitir la carga de estas al terreno en una mayor área, para lograr una presión apropiada. Se construyen en concreto reforzado. Zapatas corridas: soportan varias columnas o un muro y pueden ser de concreto reforzado o de mampostería, el caso de cimientos que transmiten cargas no muy grandes. Se utiliza en el caso en que el suelo ofrezca una resistencia baja, que obligue al empleo de mayores áreas de repartición o en el caso en que deban transmitirse al suelo grandes cargas. osas de cimentación: se utiliza cuando la resistencia del terreno sea muy baja o las cargas muy altas, llegando llegando a ocupar ocupar toda la superfici superficiee construid construida. a. Se construyen construyen tambi!n tambi!n en concreto reforzado.
Si aun en el caso de emplear una losa, la presión transmitida al suelo sobrepasa la capacidad de carga de este, "abrá que recurrirse a estratos más firmes para soportar la estructura, llegándose así a las cimentaciones profundas. #n resumen:
Facto!es #"e dete!minan el tio de cimentación$
$. a superes superestru tructu ctura: ra: su funció función, n, las cargas cargas que transm transmite iten n al suelo, suelo, lo materi materiale aless que que la constituyen, etc. %. #l tipo tipo de suelo: suelo: sus propied propiedade adess mecáni mecánicas cas &resis &resisten tencia cia,, compre compresib sibili ilidad dad,, condic condicion iones es "idráulicas, etc.' (. )actores económicos: económicos: "ay que balancear balancear el costo de la cimentación cimentación en comparación con la importancia y aun el costo de la superestructura. *ebe estudiarse no solo la necesidad de proyectar una cimentación que se sostenga en el suelo asentamientos ntos o disp dispon onib ible le sin sin fall fallaa o cola colaps pso, o, sino sino tambi tambi!n !n que que no teng tengaa dura durant ntee su vida vida asentamie expansiones que interfieran con la función de la estructura o que sean mayores que aquellos considerados como tolerables en el proyecto. Conside!aciones %ene!ales so&!e el contacto s"elo'est!"ct"!a
#l asentamiento inmediato, debido e+clusivamente a cambio de forma &es decir, e+cluyendo el asentamie asentamiento nto por consolida consolidación' ción',, de áreas fle+ibles fle+ibles con carga carga uniforme, uniforme, apoyadas apoyadas en arcillas arcillas saturadas adopta el siguiente perfil:
#n cambio cuando el área se apoya en arenas o gravas el perfil es el siguiente:
Si la carga se transmite al suelo a trav!s de una placa rígida, la placa se asentará uniformemente por lo que la presión entre la placa y el suelo no podrán ser uniforme.
Cimentaciones en a!enas ( %!a)as$
ara el caso de un cimiento muy largo, la capacidad a la falla seg-n erzagui es:
a capacidad de carga de un cimiento poco profundo en arena o en grava depende de los siguientes elementos: $. a compacidad relativa de la arena: Se refleja en el valor de ø y por tanto en los factores N q y Nɣ. or otro lado • cuanto mayor sean los valores de compacidad, mayores serán los valores de dic"os factores. a prueba S determina la compacidad relativa de un manto de arena. • #+iste una gráfica que relación los valores de / &n-mero de golpes', la compacidad relativa y el valor del ángulo ø. 0uando se tienen arenas muy finas por debajo del nivel freático el valor de / • resulta mayor que el que se tendría con arena seca, debido a la baja permeabilidad de la arena que impide que el agua emigre a trav!s de los "uecos al producirse el impacto, para ello se debe ajustar el valor de / con la siguiente ecuación propuesta por ec1, 2anson y "ornburn:
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ar valores de /34$5 Si e+isten gravas o boleos en el suelo los resultados de la prueba S se ve alterada debido a que dic"os elementos pueden detener el penetrómetro aumentando el n-mero de golpes.
%. a posición del nivel freático: si la arena está sumergida bajo el nivel freático el valor de ɣ se reduce a la mitad. #l valor de la sobrecarga al nivel de desplante deberá calcularse teniendo en cuenta las condiciones de ese material, para lo cual deben seguirse las recomendaciones de ec1, 2anson y "ornburn referidas en el presente libro.
(. #l anc"o de la cimentación: influye linealmente en la capacidad de carga del suelo bajo el nivel de desplante, mas no influye en la capacidad de carga que refleja el efecto de la sobrecarga sobre el nivel de desplante.
6. a profundidad de desplante *f : Se recomienda utilizar un valor * f mínimo de $m. 7tilizar 8,5m en caso del que el • suelo sea e+traordinariamente fuerte y la estructura ligera. 9poyar los cimientos siempre abajo de la capa de tierra vegetal para evitar • problemas con el crecimiento de plantas o la disminución de la resistencia del terreno debido a la materia orgánica. #n cuanto a los asentamientos se deben tener en cuenta los siguientes conceptos: •
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#l asentamiento bajo una zapata en arena depende de la rigidez que presenta a los esfuerzos cortantes. a rigidez a su vez depende del confinamiento del material y de su propia compacidad. 9 mayor profundidad, mayor confinamiento y por tanto mayor rigidez. #l asentamiento bajo una zapata en arena sumergida se duplicará respecto al valor en una arena no sumergida. #sto se debe a que el peso específico de una arena sumergida es la mitad del no sumergido. 9 igual presión de contacto de una zapata en arena, el asentamiento crece al crecer el anc"o de la zapata. #sto se debe a que al aumentar el anc"o se afectan zonas más profundas en que la rigidez ante esfuerzos cortantes es más grande. ara arenas no sumergidas ec1, 2anson y "ornburn proporcionan la siguiente grafica empírica para obtener la presión de contacto correspondiente a un "undimiento de %.5cm &$ 33' para diferentes anc"os de cimiento y distintas compacidades.
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: 9nc"o de la zapata, si es cuadrada o dimensión menor si es rectangular Si la arena está sumergida debe reducirse a la mitad los valores correspondientes la presión de contacto.
Cimentaciones *omo%+neas
en
a!cillas
a capacidad de carga en arcillas "omog!neas seg-n S1empton o erzagui es:
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0omo se puede observar en la ecuación anterior, la capacidad de carga -ltima depende de la co"esión y de la presión actuante al nivel de desplante. #l anc"o de la cimentación no interviene si se aplica la teoría de erzagui y es indirecta si se aplica la teoría de S1empton mediante la relación *;. a prueba tria+ial rápida es la que mejor refleja dentro de un criterio de trabajo con esfuerzos totales, las circunstancias de la cimentación. as arcillas por su impermeabilidad permiten mantener las cepas de e+cavación en seco con un bombeo moderado y no muy costoso. Si la e+cavación es de gran área y profundidad se debe tener cuidado pues el flujo de agua "acia la e+cavación en el fondo produce e+pansiones que luego se traducirán en asentamientos de la estructura. #n cuanto a la susceptibilidad de las arcillas a los cambios volum!tricos So
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os cambios volum!tricos son má+imos en la superficie del suelo y nulos en la profundidad correspondiente al nivel freático. a profundidad de desplante deberá de quedar siempre bajo la zona sujeta a cambios volum!tricos cuando esta puede ser determinada. 0alculando los asentamientos de cada elemento de la cimentación con base en la eoría de la 0onsolidación, puede "allarse los asentamientos diferenciales que a fin de cuentas son los que más interesan. *eben considerarse las presiones que transmiten otras zapatas vecinas situadas a distancias que su influencia pueda alcanzar a notarse. #n el cálculo de asentamientos por consolidación solo deben intervenir las cargas muertas o vivas permanentes y no las transitorias pues estas -ltimas act-an en tiempo peque=o para influenciar un proceso de consolidación.
Cimentaciones en a!cillas fis"!adas
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#l mejor recurso para evaluar la resistencia de una arcilla fisurada para el cálculo de una cimentación, es a trav!s de pruebas de carga con una placa directamente sobre el terreno. Se considera la presión de falla como la capacidad de carga ultima del suelo, una vez determinado el valor de la resistencia se procede siguiendo los mismos principios de las arcillas "omog!neas.
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Cimentaciones en limos ( loess
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Se distinguen dos tipos de limos, los plásticos y los no plásticos. a información se resume en el siguiente cuadro:
Cimentaciones en s"elos est!atificados
os casos más frecuentes de estratificación son aquellos en que un estrato de arcilla firme se encuentra sobre otro de arcilla suave o en que un estrato friccionante se presenta sobre otro co"esivo poco resistente. ara dos estratos arcillosos saturados utton presenta la siguiente figura:
*onde, /c: )actor de capacidad de carga modificado para tomar en cuenta el estrato inferior d: espesor del estrato superior b: anc"o del cimiento
*e la gráfica se puede deducir que cuando el estrato d!bil se encuentra por debajo del estrato fuerte la capacidad de carga disminuye, y esta disminución depende tanto de la relación de co"esiones de ambos, como de la relación d;. or el contrario, cuando el estrato d!bil está arriba el "ec"o de tener un estrato fuerte abajo "ace que su capacidad de carga aumente. •
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Si los estratos no son puramente co"esivos no se puede aplicar la gráfica anterior. a estratificación puede ignorarse calculando la capacidad de carga sobre un suelo ficticio "omog!neo promediando los valores de los parámetros de resistencia de los dos estratos. /ota: ara el caso anterior no pueden promediarse valores que difieran entre si más de un 58> dentro de la profundidad significativa del cimiento. 0uando tales valores no se puedan promediar se recurre al siguiente artificio: $. Se calcula la capacidad de carga del estrato d!bil suponiendo que el cimiento llega "asta la frontera superior de este. %. Se considera el estrato suprayacente como una sobrecarga con el esfuerzo má+imo que el cimiento le envía desde su verdadero desplante usando la eoria de oussinesq.
Caacidad de ca!%a admisi&le, Facto! de se%"!idad •
ara suelos puramente co"esivos es erróneo e+presar la capacidad de carga admisible del suelo, como una fracción de la capacidad de carga a la falla. #sto se sustenta en el modelo de la balanza de ?"ristianovic". #n la siguiente ilustración se presenta una analogía de la ecuación de la capacidad de carga -ltima con el modelo en cuestión:
a condición de má+ima seguridad se presenta cuando , de ese modo, la resistencia del suelo debido a la co"esión del material sigue intacta &en el modelo, la fricción en las guías representa dic"a resistencia'. Si se aplica un factor de seguridad, este deberá actuar solo sobre la parte de q c que e+ceda a ɣ*f, es decir sobre c/c. *e este modo resulta:
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*onde qad: capacidad de carga admisible o de trabajo Si se divide toda la capacidad de carga ultima sobre el factor se seguridad se pueden presentar valores inseguros y por otra parte la solución tambi!n se volvería antieconómica. ara suelos puramente friccionantes la capacidad de carga es muc"o mayor que la presión actuante al nivel de desplante, por esta razón la capacidad admisible se obtiene en la práctica de la forma simple:
os valores de ) s varian seg-n la importancia de la obra y las incertidumbres que se manejen. Se recomienda:
odo lo anterior se refiere a problemas de falla en las cimentaciones, sin embargo "ay casos en que el asentamiento representa la condición dominante. #n tales casos deberá usarse una capacidad de carga a-n menor que la admisible. Cimentaciones comensadas
Se trata de desplantar a una profundidad tal que el peso de la tierra e+cavada iguale al peso de la estructura, de manera que el suelo al nivel de desplante no sienta la sustitución efectuada, por no llegarle ninguna presión adicional a la que e+istía originalmente. •
#+ige que la e+cavación efectuada no se rellene posteriormente, para ello se pueden utilizar:
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Se usan para evitar asentamientos en suelos altamente compresibles. eóricamente son eliminadas al no tener el terreno ninguna sobrecarga.
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os problemas principales de este tipo de cimentación tienen que ver con la e+cavación generalmente profunda. ambi!n e+iste la compensación parcial en la cual el peso de la tierra e+cavada compensa una parte del peso de la estructura, el restante se toma con pilotes. #s necesario evaluar mediante la eoria de la 0onsolidación, los asentamientos producidos debido a la presión adicional a la compensada que el suelo puede tomar como capacidad de carga. #n suelos altamente compresibles y normalmente consolidados no puede darse ninguna presión adicional de la que e+istían previamente, pues cualquier incremento afecta la rama virgen de la curva de compresibilidad de la arcilla, causando asentamientos. #n suelos preconsolidados, la arcilla puede resistir algo de presión de la que e+istía previamente. .Zeevaert recomienda que su valor se limite a:
*onde, ∆ p: @ncremento de la presión en la cimentación sobre la presión previamente e+istente. p c: 0arga de preconsolidación p8: resión efectiva en el suelo, por peso propio #s necesario verificar mediante la eoria de oussinesq, que no e+istan a mayores profundidades mantos de arcilla compresibles a los que puedan llegar desde la cimentación, esfuerzos que sobrepasen su carga de preconsolidacion. ara lo cual se comparan los perfiles de carga de preconsolidacion vs los esfuerzos debido al e+ceso de presión dejado en la cimentación sumados a la presión efectiva del suelo. ara el cálculo del peso del material e+cavado considerar: resión total al nivel de desplante si la cimentación es impermeable resión efectiva al nivel de desplante si la cimentación es permeable
Cimentaciones en !oca
#l esfuerzo cortante y los asentamientos no suelen ser una limitación para el dise=o dada la rigidez del material. 9 continuación se presentan gráficamente algunos de los problemas frecuentes en cimientos en roca:
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a resistencia de una roca puede obtenerse a trav!s de una prueba de compresión simple.
c Aqu;%. *onde, c: resistencia de la roca. uego, qcAc/c. *onde, qc: capacidad de la roca Se debe usar un factor se seguridad de ( para "allar la capacidad de trabajo. •
a inclinación de una roca para propósitos de cimentación no debe ser mayor a (8B, ya que se corre el riesgo de deslizamientos.
Cimentaciones en tal"des
Ceyer"of combinó su propia teoría de la capacidad de carga con los estudios referentes a la estabilidad de taludes para desarrollar un m!todo que tuviese en cuenta el desplante de cimientos en cercanías a taludes. Seg-n Ceyer"of la capacidad de carga del suelo está dada por la siguiente ecuación:
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ara materiales puramente co"esivos, el factor / cq es función de los siguientes parámetros: /s : /umero de estabilidad del talud D : 9ngulo de la inclinación del talud *; : Eelación entre la profundidad menor de desplante y el anc"o del cimiento Se sabe que donde, 2: 9ltura del talud
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ara los siguientes parametros:
materiales puramente friccionantes, el factor / cq depende de
Ø : 9ngulo de friccion interna D : 9ngulo de la inclinación del talud *; : Eelación entre la profundidad menor de desplante y el anc"o del cimiento Se consideran dos casos diferentes para el cimiento: $. 0imiento colocado sobre la ladera del talud
Nota: en ambos casos la línea llena representa *; A 8, y la línea punteada *; A $.
%. 0imiento colocado sobre la corona del terrapl!n &a distancia tal del bode del talud que este deja de sentir influencia'.
Soca)ación
Falla de fondo en e-ca)aciones de a!cilla
#n este tipo de falla ocurre un asentamiento del terreno vecino, acompa=ado por el levantamiento rápido del fondo de la e+cavación. #l material vecino fluye "acia el centro de la e+cavación. 2a sucedido en zanjas para tubos y drenajes y en e+cavaciones profundas. a capacidad de carga de una arcilla a la profundidad * f , por ejemplo seg-n la ecuación de S1empton está dada por:
*onde: c/c : Eesistencia del suelo a lo largo de una superficie de falla ɣ*f
: resion a la profundidad de desplante debido al peso del suelo subprayacente
q : sobrecargas sobre el suelo a resistencia a lo largo de la superficie de falla &c/ c' se opone al flujo del material del talud "acia el fondo de la e+cavación, a donde tiende a moverse por efecto de la presión ɣ*f F q.
#n el instante de la falla se tendrá:
9l despejar * f ma+ se obtiene la profundidad má+ima a que puede llevarse la e+cavación, de donde:
a falla de fondo es independiente de la falla del talud y no es causada por un mal ademado de este. *e "ec"o en una e+cavación no ademada la falla del talud siempre ocurre primero que la del fondo, de a"í que los )S adoptados para el talud &6 G 5.(' sean mayores que los del fondo &$.5'
