Las fundaciones son los elementos encargados de impartir, a través de ellos, cargas estructurales en el terreno. El diseño de fundaciones debe estar regido por criterios de utilidad y resistencia. El criterio de utilidad, se refiere, a que el comportamiento de la fundación durante la aplicación de las cargas de operación, debe cumplir totalmente con los propósitos para los que fue diseñada. Generalmente el criterio de utilidad se halla limitado por la magnitud de los asentamientos u otros posibles movimientos.
El criterio de resistencia, se refiere, al propósito de asegurar que la fundación diseñada sea lo suficientemente resistente para soportar cargas ocasionalmente grandes, debidas por ejemplo, a fuerzas climatológicas intensas o a otra serie de causas.
La resistencia o capacidad de apoyo de la fundación puede ser un problema a corto o largo plazo dependiendo de las siguientes características:
Condición a corto plazo.- Esta condición se presenta cuando la carga es aplicada durante el periodo de construcción, es decir durante un periodo corto de tiempo. Una condición a corto plazo será crítica sólo para el caso en que la fundación sea emplazada en un suelo arcilloso, es decir, cuando se produzca una condición no drenada. Una condición no drenada se presenta cuando el suelo tiene muy baja permeabilidad, entonces, se considera que el volumen permanece constante y se ha generado un exceso de presión de poros igual al cambio de esfuerzo total
u
v. Debe recalcarse que para la condición no drenada en suelos arcillosos debe trabajarse con parámetros de esfuerzos totales. Condición a largo plazo.- Esta condición se presenta cuando la carga máxima es aplicada a la fundación luego de un cierto tiempo después del final de la construcción. La condición a largo plazo, reúne las características de una condición drenada, tanto para el caso de suelos arcillosos como para el caso de suelos granulares. Una condición drenada es aquella situación en la que el suelo es cargado y no se genera exceso de presión de poros. Para la condición drenada deben utilizarse parámetros de esfuerzos efectivos.
Para la determinación de la capacidad de apoyo del suelo es necesario realizar las siguientes definiciones:
Carga inicial total o sobrecarga inicial qo es la presión existente antes de la construcción que se debe al peso del suelo sobre el nivel de fundación.
Sobrecarga efectiva inicial
q
'o: es igual a la sobrecarga inicial qo menos, el valor de la presión de porosu
o determinado para las condiciones iniciales, es decir, determinado antes de la construcción.o o
o
q
u
q
'
Carga bruta
q
es la presión bruta total impartida al terreno después de la construcción, que incluye: El peso de la fundación,
W
El peso del suelo sobre el nivel de fundación.
Esta presión es igual a la carga total, que es la suma de las cargas anteriores, dividida por el área de la fundación.
Carga bruta efectiva
q'
: es igual a la presión bruta de fundaciónq
menos el valor final de la presión de porosu
f, determinado para las condiciones finales, es decir, después de la construcción.f
u
q
q
'
Carga neta
q
n:
es el incremento neto en esfuerzos efectivos al nivel de fundación, es decir, es la diferencia entre las presiones efectivas antes y después de la construcción. Es así que la carga neta siempre se halla referida a esfuerzos efectivos.' '
o
n
q
q
q
[3.1]Carga bruta última de apoyo
q
u es el valor de la presión de apoyo que produce falla de corte en el suelo. Por tanto, la carga última efectivaq
u' , es igual a la carga últimaq
u menos el valor de la presión de porosu
.Carga neta última de apoyo
qu(n)
es la carga bruta última efectiva de apoyo menos lasobrecarga efectiva. ' o ' u ) n ( u
q
q
q
[3.2]Máxima capacidad segura de apoyo
qs
es el valor de la presión de apoyo para el cual elriesgo de falla al corte es mínimo. Esta es igual a la carga bruta última de apoyo dividida por un factor de seguridad adecuado.
FS
q
q
us
[3.3]La máxima capacidad segura efectiva de apoyo
q
's es la máxima capacidad segura deapoyo
q
s menos el valor de la presión de porosu
.u
q
q
s'
s
[3.3ª]Máxima capacidad neta segura de apoyo
q
s n es la carga neta última de apoyo dividida por el factor de seguridad adoptado.FS
q
q
s(n)
u(n) [3.4]En las ecuaciones [3.3] y [3.4], la elección de un adecuado valor para el factor de seguridad depende tanto del criterio como de la experiencia profesional del ingeniero. Coduto (1994) indica que deben tomarse en cuenta los siguientes aspectos:
El tipo de suelo. Se recomienda usar valores altos para arcillas y valores bajos para arenas.
El nivel de incertidumbre en la definición del perfil de suelo y en la determinación de los parámetros de resistencia al corte para diseño.
La importancia de la estructura y las consecuencias de una posible falla.
Por lo general el factor de seguridad adoptado es probablemente mucho mayor que el factor de seguridad seguro, debido sobre todo a los siguientes aspectos:
Los datos de resistencia al corte son normalmente interpretados de manera muy conservativa, de esta manera los valores de diseño de
c
y
contienen implícitamente un otro factor de seguridad. Las cargas de servicio son probablemente menores a las cargas de diseño.
Es el asentamiento, y no la capacidad de apoyo, el que controla el diseño final, por tanto, la fundación tendrá dimensiones mayores a las requeridas para satisfacer el criterio de capacidad de apoyo.
Finalmente, Coduto (1994) presenta la Tabla 3.1, que es una tabla adaptada a partir de la versión presentada por Vesic en 1975. Esta sugiere ciertos valores para el factor de seguridad; dependen tales valores fundamentalmente del tipo de estructura.
Tabla 3.1.Guías para seleccionar el mínimo factor de seguridad para el diseño de zapatas
(Coduto, 1994).
Exploración del Exploración del suelo completa suelo
y cuidadosa limitada
Puentes ferroviarios, Cargas máximasde diseño
almacenes,muros de próximas a ocurrir a menudo
retención hidráulica, con consecuencias de falla
silos desastrosas.
Puentes carreteros, Cargas máximasde diseño
edificios públicos e pueden ocurrir ocasionalmente
industriales. con consecuencias de falla
serias.
Edificios de oficinas Cargas máximasde diseño es
y apartamentos. improbable de ocurrir. 3.0
2.5 3.5
C 2.0
A 3.0 4.0
B
Factor de seguridad de diseño Categoría Estructuras típicas Características de la
categoría
Carga admisible de apoyo
q
a es la presión que asegura que no existirá falla al corte, yasegura también que los asentamientos a producirse serán iguales a los tolerables.
Por tanto, la falla al corte se produce cuando la carga última de apoyo es alcanzada. Esta falla al corte puede ser de los siguientes tipos:
Falla al corte general.- Este tipo de falla se presenta cuando una fundación superficial
localizada sobre un depósito de arena densa o sobre un suelo arcilloso rígido es sometida a una carga que se incrementa gradualmente. Este incremento gradual de carga ocasiona el consiguiente asentamiento de la fundación.
En la Figura 3.1 (a) se puede observar una fundación superficial de ancho
B
, que está situada a una profundidadD
f de la superficie de un depósito de suelo con las características mencionadas anteriormente. Cuando el esfuerzo o presión producido por la cargaP
iguala la carga última de apoyoq
u se produce el asentamientoS
u para el cual, el suelo de fundación sufrirá una falla repentina al corte. La superficie de falla del suelo es mostrada en la Figura 3.1 (a) mientras que la Figura 3.1 (b) muestra la gráfica deS vs. q
.El tipo de falla observado en la Figura 3.1 (a) es el de falla al corte general; y para este, se puede ver en la gráfica de
S vs. q
que se presenta claramente un valor pico deq
igual aqu
.q Df B
(a)
qu u SCarga por unidad de área , q
A se n ta m ie n to , S
(b)
Figura 3.1. Falla al corte general de un suelo.
Falla al corte local.- Este tipo de falla se presenta cuando una fundación superficial
como la observada en la Figura 3.2 (a), se encuentra sobre un depósito de arena media densa o sobre un suelo arcilloso de consistencia media.
En la gráfica de
S vs. q
, Fig. 3.2 (b), se observa que a medida que se incrementa la cargaq
se produce también un respectivo asentamiento. Cuandoq
alcanza el valor de' u
q
denominado carga primera de falla, la superficie de falla desarrollada en el suelo es la mostrada con línea llena en la Figura 3.2 (a). Si la carga continúa incrementándose la curva de la gráficaS vs. q
se hace mucho más empinada e irregular como muestra la línea quebrada de la Figura 3.2 (b). Cuandoq
iguala el valor dequ
la superficie de falla del suelo alcanza la superficie del terreno. Más allá del valor deq
u la gráfica deS vs. q
adquiere una forma lineal, siendo la principal característica de este tipo de falla que nunca es observada una carga pico.Falla al corte por punzonamiento.- La Figura 3.3 (a) muestra una fundación con las
mismas características que en los casos anteriores; pero con la única diferencia de que se encuentra fundada sobre un depósito de arena suelta o sobre un suelo arcilloso blando. Para este tipo de falla, la curva de la gráfica
S vs. q
es mostrada en la Figura 3.3 (b).Al igual que en el caso anterior, aquí nunca se observa un valor de carga pico ya que una vez que se ha alcanzado el valor de
qu
este permanece constante. La superficie de falla del suelo para falla al corte por punzonamiento, no alcanza nunca la superficie del terreno.q B Df
(a) A se n ta m ie n to , S
Carga por unidad de área , q
u
q
u
q'