Implementación de una herramienta para el cálculo de la capacidad de carga admisible en cimentaciones superficiales para el laboratorio virtual de ingeniería geotécnica

(1)

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

La Universidad Católica de Loja

IMPLEMENTACIÓN DE UNA HERRAMIENTA PARA EL

CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE

EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES‐LVIG

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

“IMPLEMENTACIÓN DE UNA HERRAMIENTA PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES

PARA EL LABORATORIO VIRTUAL DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA”

TRABAJO DE FIN DE CARRERA PREVIA A LA

OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

AUTOR:

JOSÉ

EDUARDO

YUNGA

PUGLLA

DIRECTOR:

Mgs.

ANGEL

TAPIA

(2)

I

CERTIFICACIÓN Ing. Ángel Tapia.

DIRECTOR DE TRABAJO DE FIN DE CARRERA

CERTIFICO:

Haber dirigido y revisado la tesis previa a la

obtención del título de Ingeniero Civil,

realizada por el profesional en formación

José Eduardo Yunga Puglla, cuyo título es:

“IMPLEMENTACIÓN DE UNA HERRAMIENTA PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD ADMISIBLE PARA CIMENTACIONES SUPERFICIALES (LVIG)”; tema que cumple con las características exigidas por la

reglamentación de la Escuela de Ingeniería

Civil, por tanto, autorizo su presentación.

Por lo expuesto, autorizo su presentación, disertación y defensa.

Ing. Ángel Tapia

(3)

II

CESIÓN DE DERECHOS

Yo, JOSE EDUARDO YUNGA declaro ser autor del presente trabajo y eximo expresamente a la

Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o

acciones legales.

Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición de Art. 67 del Estatuto Orgánico de la

Universidad Técnica Particular de Loja que su parte pertinente textualmente dice:

“Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones,

trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con apoyo financiero,

académico o institucional (operativo) de la universidad”.

José Eduardo Yunga P.

(4)

III

AUTORÍA

El proceso de investigación que se ha

realizado en esta tesis como: análisis,

cálculos, verificaciones, comprobaciones,

conclusiones y recomendaciones, así

también como observaciones son de

absoluta responsabilidad del autor.

Además, cabe indicar que la información

recopilada para el presente trabajo, se

encuentra debidamente especificada en el

apartado de las referencias.

(5)

IV

AGRADECIMIENTOS

Mi especial gratitud al Ing. Ángel Tapia

Chávez, que por medio de su enseñanza,

dedicación y ayuda hizo posible la

culminación de este trabajo, por lo cual me

sirve de ejemplo a seguir para mi vida

profesional.

A mis padres, a quienes agradezco de todo

corazón por su amor, cariño y comprensión

en cada momento de mi vida.

Agradezco a Dios por llenar mi vida de dicha,

bendiciones y a mis amigos quienes me

apoyan en cada momento de mi vida.

(6)

V

DEDICATORIA

En todos los momentos fáciles o difíciles

siempre estuvieron ahí y lo estarán mis

padres, quienes fueron los que hicieron esto

posible para mi vida, donde me brindaron

todo su apoyo incondicional; mi padre Vitelio

y mi madre Rosita que supieron guiarme en

cada momento por el buen camino junto a

Dios.

Este trabajo también es para mi familia, mi

esposa Juanita, mi hijo Joed, para ustedes

con cariño y amor, que les serviré de ejemplo

en cada momento de sus vidas, donde

supieron acompañarme en cada etapa de mi

carrera, gracias nuevamente Diosito por

darme muchos regalos en la vida mis padres,

hermana, mi familia y amigos.

(7)

CONTENIDO

Pág.

CERTIFICACIÓN I

CESIÓN DE DERECHOS II

AUTORÍA III

AGRADECIMIENTO IV

DEDICATORIA V

CAPÍTULO I

1. GENERALIDADES... 1

1.1 INTRODUCCIÓN... 1

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA... 1

1.3 SOLUCIÓN... 2

1.4 OBJETIVOS... 2

CAPÍTULO II 2 CONCEPTOS Y PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE... 3

2.1 CAPACIDAD DE CARGA... 3

2.1.1 Definición... 3

2.2 TIPOS DE FALLA EN EL SUELO POR CAPACIDAD DE CARGA 2.2.2 Falla por corte general de carga…... 4

2.2.3 Falla por corte local de carga………... 5

2.3 PARÁMETROS QUE AFECTAN A LA CAPACIDAD DE SOPORTE DEL SUELO……… ………… 6

2.3.1 Nivel freático... 6

2.3.2 Factor de seguridad……….. 6

2.4 PARÁMETROS RESISTENCIA AL CORTE………. 6

2.4.1. Ángulo de fricción………. 6

2.4.2 Cohesión………. 7

2.5 PROPIEDADES FÍSICA DE LOS SUELOS… ……... 7

2.6 ENSAYOS PARA CONOCER LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECANICAS DE LOS SUELOS ……….. 9

2.7 ENSAYO DE RESISTENCIA AL CORTE PARA OBTENER PARAMETROS DE COHESIÓN Y ÁNGULO DE FRICCIÓN……… 10.

2.7.1 Ensayo de corte directo……….……….. 10

2.7.1.1 Clasificación de ensayos de corte directo………. 11

2.7.1.1.1 Ensayos no consolidados‐no drenados (uu)……….. 11

2.7.1.1.2 Ensayos consolidado‐drenado (cd)……….. 11

2.7.2 Ensayo traxial………..………. 12

2.7.2.1 Ensayos no consolidados‐ no drenados (uu)……… ……….. 14

2.7.2.2 Ensayos consolidados‐drenados (cd)……… 14

2.7.2.3 Círculo de Mohr……….……… 15

(8)

2.8 CIMENTACIONES……….. 16

2.8.1 Rigidez del terreno de cimentación……….. 16

2.8.2 Tipo de cimentación………. 16

2.8.2.1 Cimentaciones superficiales……….………….. 17

2.8.2.1.1 Capacidad portante……… .………… 17

2.9 ZAPATAS………... 18

2.9.1 Zapatas aislada cuadrara………..18

2.9.2 Zapata aislada rectangular……….……….18

2.9.3 Zapata aisladas circulares………19

2.9.4 Zapatas corridas………..………..19

CAPÍTULO III 3.1 TEOREMA DE TERZAGHI... 21

3.1.1 Ecuaciones generales para falla por corte general... 21

3.1.2 Ecuaciones generales para falla por corte local... 24

3.1.3 Caso I……….………. 27

3.1.4 Caso II ……….………...30

3.2 TEOREMA DE MEYERHOF...32

3.2.1 Caso I ……….………...35

3.2.2 Caso II ……….………...37

3.3 TEOREMA DE HANSEN ………...39

CAPÍTULO IV MÉTODO DE TERZAGHI POR CORTE GENERAL 4.1 PARA CIMENTACIÓN CORRIDA...43

4.2 PARA CIMENTACIÓN CUADRADA...44

4.3 PARA CIMENTACIÓN CIRCULAR...46

MÉTODO DE TERZAGHI POR CORTE LOCAL 4.4 PARA CIMENTACIÓN CORRIDA... 47

4.5 PARA CIMENTACIÓN CUADRADA... 49

4.6 PARA CIMENTACIÓN CIRCULAR... 50

4.7 POR EL NIVEL FRÉATICO CASO I... 52

4.8 POR EL NIVEL FRÉATICO CASO II……….……….. 58

MÉTODO DE MEYERHOF 4.9 MÉTODO DE MEYERHOF PARA LA CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE... 63

4.10 MÉTODO DE MEYERHOF POR EL NIVEL FREÁTICO CASO I... 65

4.11METODO DE MEYERHOF POR EL NIVEL FREÁTICO CASO II... 68

(9)

4.12 MÉTODO DE HANSEN……… 70

CAPÍTULO V

5.1 MANUAL DE COMPROBACIÓN DEL MÉTODO DE TERZAGHI POR CORTE GENERAL…….……….. 74 5.1.1 Método de Terzaghi por corte general para cimentación corrida... 74 5.1.2 Método de Terzaghi por corte general para cimentación cuadrada... 74 5.1.3 Método de Terzaghi por corte general para cimentación circular...74

5.2 MANUAL DE COMPROBACIÓN DEL MÉTODO DE TERZAGHI POR CORTE LOCAL……...…………. 80

5.2.1 Método de Terzaghi por corte local para cimentación corrida... 80 5.2.2 Método de Terzaghi por corte local para cimentación cuadrada... 80 5.2.3 Método de Terzaghi por corte local para cimentación circular... 80

5.3 MANUAL DE COMPROBACIÓN DEL MÉTODO DE TERZAGHI POR CORTE LOCAL CUANDO EXISTE

NIVEL FREÁTICO CASO I...………..…..………….. 87

5.3.1 Método de Terzaghi por corte local con nivel freático para cimentación cuadrada………..………... 87

5.3.1 Método de Terzaghi por corte local con nivel freático para cimentación corrida………...87

5.3.1 Método de Terzaghi por corte local con nivel freático para cimentación circular………...87

5.4 MANUAL DE COMPROBACIÓN DEL MÉTODO DE TERZAGHI POR CORTE LOCAL CUANDO EXISTE

NIVEL FREÁTICO CASO II……….………..…..………….. 95

5.4.1 Método de Terzaghi por corte local con nivel freático para cimentación cuadrada………... 95

5.4.1 Método de Terzaghi por corte local con nivel freático para cimentación corrida………...95

5.4.1 Método de Terzaghi por corte local con nivel freático para cimentación circular………...95

5.5 MANUAL DE COMPROBACIÓN DEL MÉTODO DE MEYERFOF PARA LA CAPACIDAD DE CARGA

ADMISIBLE…………..……….103

MANUAL DE COMPROBACIÓN DEL MÉTODO DE MEYERHOF CUANDO EXISTE NIVEL FREÁTICO EN

SUELOS NO SATURADOS CASO I………..…..……….112

MANUAL DE COMPROBACIÓN DEL MÉTODO DE MEYERHOF CUANDO EXISTE NIVEL FREÁTICO EN

SUELOS NO SATURADOS CASO I………..…..………121

(10)

CAPÍTULO VI

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……….. 140

BIBLIOGRAFÍA……… 142

ANEXOS 1

TABLAS DE FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA……… 143

ANEXOS 2

BITACORA Y INFORME DE PRUEBA DE LABORATORIO VIRTUAL DE GEOTÉCNIA………. 148

(11)

RESUMEN

José Eduardo Yunga. “Implementación de una herramienta para el cálculo de la capacidad de carga

admisible en cimentaciones superficiales en el Laboratorio Virtual de Ingeniería Geotécnica (LVIG)”. En la

actualidad se han estado implementando proyectos para un mejor entendimiento de temas relacionados con el suelo para soportar el peso de una estructura, es por esta razón y por la académica, que se desarrolló esta aplicación. Básicamente un suelo se lo considera como la parte principal para soportar la carga de una estructura, un edificio de hormigón, por lo que se realizan diferentes pruebas y ensayos de laboratorio de mecánica de suelos. Para conocer con qué tipo de suelo estamos tratando, obtenemos datos en el laboratorio que nos servirá para darnos cuenta de la capacidad de carga admisible del suelo de ese lugar y si está es capaz de soportar la obra a realizar, con el propósito de hacer realidad la disponibilidad y construcción de dicha obra a ejecutar.

La presente investigación ha permitido desarrollar aplicaciones web para el análisis de la capacidad de carga admisible del suelo, empleando: el lenguaje de programación de Visual Basic.Net 2008.

Las aplicaciones que se desarrollaron permiten reducir el tiempo de análisis de la capacidad de carga del suelo. A la vez que es un aporte esencial en el entorno académico, ya que gracias a estas aplicaciones el usuario podrá corroborar resultados usando metodologías diferentes de cálculo.

Abstract — José Eduardo Yunga. “Implementation of a tool for the calculation of the acceptable carrying capacity in superficial foundations in the Virtual Laboratory of Engineering Geotechnical (LVIG).” At the present time projects have been implementing for a better understanding of topics related with the floor to support the weight of a structure, it is for this reason and for the academic one that this application was developed. Basically a floor considers it to him as the main part to either support the load of a structure this, a building for different uses, for what you/they are carried out different tests and laboratory tests of mechanics of floors. To know we are trying with what floor type, with the data obtained in the laboratory it will be good us to realize the acceptable carrying capacity of the floor of that place and if it is it is able to support the work to carry out, with the purpose of making reality the readiness and construction of this work to execute.

The present investigation has allowed developing applications web for the analysis of the acceptable carrying capacity of the floor, using: the programming language of Visual Basic.Net 2008.

The applications that were developed allow reducing the time of analysis of the carrying capacity of the floor. At the same time that it is an essential contribution in the academic environment, since thanks to these applications the user will be able to corroborate results using methodologies different from calculation.

1. INTRODUCCIÓN:

Las características de ciertos tipos de suelos, hacen real y permanente, la posibilidad de que algunos aspectos como humedad, vibración, remodelación o cambio de uso, entre otros, afecten las condiciones de estabilidad de las estructuras contiguas, poniendo en riesgo no solamente su vida útil, sino también la seguridad de las personas que mantienen relación con estas.

(12)

2. METODOLOGÍAS EMPLEADAS

Entre las herramientas que se desarrollaron tenemos:

Método de Therzagui por Corte General.- la cual permite determinar los factores de capacidad de carga dadas en tablas por (Braja. M. Das) las cuales son empleadas según el ángulo de fricción que da el suelo, luego encontramos la cohesión corregida la presión de trabajo, una vez realizado todo lo anterior la herramienta nos da a conocer la capacidad de carga admisible, las carga bruta total que soporta una zapata ya sea esta cuadrada circular o corrida y nos da a conocer el esfuerzo efectivo del suelo. Es típica en suelos de baja compresibilidad como (algunas arcillas densas y de arenas secas).

Método de Therzagui por Corte Local.- la cual permite determinar los factores de capacidad de carga dadas en tablas por (Braja. M. Das) las cuales son empleadas según el ángulo de fricción que da el suelo, luego encontramos la cohesión corregida la presión de trabajo, una vez realizado todo lo anterior la herramienta nos da a conocer la capacidad de carga admisible, las carga bruta total que soporta una zapata ya sea esta cuadrada circular o corrida y nos da a conocer el esfuerzo efectivo del suelo. Es típica en suelos de compresibilidad media (algunas arcillas, limos blandos y de arenas medias a flojas).

Método de Therzagui por Corte Local (Caso I).- la cual permite determinar los factores de capacidad de carga dadas en tablas por (Braja. M. Das) las cuales son empleadas según el ángulo de fricción que da el suelo. Si el nivel freático se localiza de manera que 0 ≤ D1 ≤ Df, el factor q en las ecuaciones de la capacidadde carga adopta la forma de la sobrecarga efectiva y encontramos el factor modificado, una vez realizado todo lo anterior la herramienta nos da a conocer la capacidad de carga admisible, las carga bruta total que soporta una zapata ya sea esta cuadrada circular o corrida y nos da a conocer el esfuerzo efectivo del suelo. Es típica en suelos de compresibilidad media (algunas arcillas, limos blandos y de arenas medias a flojas).

Método de Therzagui por Corte Local (Caso II).- la cual permite determinar los factores de capacidad de carga dadas en tablas por (Braja. M. Das) las cuales son empleadas según el ángulo de fricción que da el suelo. Si el nivel freático se localiza de manera que 0 ≤ d ≤B: luego encontramos los factores modificados, una vez realizado todo lo anterior la herramienta nos da a conocer la capacidad de carga admisible, las carga bruta total que soporta una zapata ya sea esta cuadrada circular o corrida y nos da a conocer el esfuerzo efectivo del suelo. Es típica en suelos de compresibilidad media (algunas arcillas, limos blandos y de arenas medias a flojas).

(13)

Método de Hansen.- la cual permite determinar los factores de capacidad de carga dadas en tablas por (Donald. P. Coduto) las cuales son empleadas según el ángulo de fricción que da el suelo. Este método toman en cuenta los efectos de forma y profundidad considerados elementalmente por Hansen, una vez realizado todo lo anterior la herramienta nos da a conocer la capacidad de carga admisible, la carga bruta total que soporta una zapata ya sea esta cuadrada circular o rectangular y el esfuerzo efectivo del suelo.

Además estas aplicaciones cuentan con manuales, en los cuales se describe la metodología de cálculo y un ejercicio de aplicación, donde se podrá observar detalladamente los resultados obtenidos, los mismos que serán analizados por el usuario.

Todas estas aplicaciones han sido satisfactoriamente implementadas en el Laboratorio Virtual de

Ingeniería Geotécnica (LVIG). Para poder hacer uso de estas herramientas se debe ingresar

gratuitamente, como usuario registrado del LVIG, vía online a través de la dirección www.utpl.edu.ec/vleg, en la sección Carga Admisible.

3. OBJETIVO

Se desarrollo esta herramienta Virtual para determinar la capacidad de carga admisible de un suelo por métodos conocidos en Visual Basic.NET y su respectiva implementación en la plataforma del Laboratorio Virtual de Ingeniería Geotécnica (LVIG).

4. CONCLUSIONES

• Esta valiosa herramienta, sin duda permitirá mejorar los criterios de profesionales y estudiantes, para brindar mayores facilidades para el cálculo de capacidad de carga admisible de una manera más eficaz y rápida, obviando el uso de tablas a fin de que los profesionales se concentren en la optimización en los procedimientos de cálculo.

• La herramienta del cálculo de capacidad de carga admisible permitirá mejorar los métodos de enseñanza - aprendizaje relacionado con los suelos superficiales.

• Para obtener mejores resultados dependerá exclusivamente de la exactitud, confiabilidad y veracidad de las características obtenidas de todos los exploratorios preliminares para aplicar en cada uno de los métodos empleados.

RECOMENDACIONES

• Esta herramienta solo considera el cálculo de capacidad de carga admisible en cimentaciones superficiales

• Tener mucho cuidado al ingresar la cohesión y el ángulo de fricción puesto que estos datos se lo utilizara para la ecuación general de los teoremas utilizados.

(14)

CAPÍTULO I

(15)

1

1. GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN

Para el diseño de cimentaciones de estructuras tales como edificios, puentes y presas, se

requiere el conocimiento de factores como:(a) la carga que será transmitida por la estructura a

la cimentación (b) el comportamiento esfuerzo-deformación de los suelos que soportara el

sistema (c) las condiciones geológicas del suelo (d) normas propias para la construcción.

Parámetros que son necesarios para las cimentaciones de cualquier obra civil ya que tienen

que ver con las propiedades físicas y mecánica de suelos.

Las propiedades geotécnicas del suelo, como la distribución del tamaño del grado la plasticidad,

la compresibilidad y la resistencia por cortante pueden ser determinadas mediante pruebas de

laboratorio.

Para obtener los parámetros del suelo, se lo obtiene en situ o en el laboratorio.

Para una cimentación adecuada se debe considerar lo siguiente.

1. La cimentación debe ser segura contra una falla por corte general y por el corte local del

suelo.

2. La cimentación no debe experimentar un asentamiento excesivo. (El término excesivo es

relativo, por el grado de asentamiento permisible en una estructura donde depende de

varias consideraciones).

La carga por área unitaria de la cimentación bajo la cual ocurre una falla por corte en el suelo

se llama capacidad de carga última. (Braja M.Das. 2006)

1.2 FORMULACIÓN DEL PROYECTO.

Existen diversas herramientas útiles para el cálculo de la capacidad de carga admisible y

estudios relacionados con las cimentaciones, esto nos sirve para mejorar la calidad de la

enseñanza como de aprendizaje, y además nos permite reducir el tiempo de cálculo por los

(16)

2

En la Escuela de Ingeniería Civil, se está desarrollando la implementación de un laboratorio

virtual de Ingeniería Geotécnica (LVIG), el cual al momento no posee una herramienta de

cálculo de la capacidad de carga admisible; siendo ésta un instrumento muy importante en la

enseñanza aprendizaje de estudiantes y profesionales a nivel de pregrado y postgrado.

1.3 SOLUCIÓN

Como solución al problema antes planteado se pretende implementar una comprobación virtual

para el cálculo de las ecuaciones de capacidad de carga admisible en el laboratorio virtual de

Ingeniería Geotécnica mediante la utilización del software Visual Basic.NET.

1.4 OBJETIVOS: - GENERAL

Diseño de una herramienta Virtual para determinar la capacidad de carga admisible de un suelo

por métodos conocidos en Visual Basic.NET y su respectiva implementación en la plataforma

del Laboratorio Virtual de Ingeniería Geotécnica(LVIG).

-ESPECÍFICOS

• Mejoramiento de la calidad de enseñanza y aprendizaje, en Mecánica de Suelos y

Geotécnica.

• Análisis comparativo de las ecuaciones del cálculo de la capacidad admisible, en función de

las características del suelo.

• Desarrollo de una herramienta en Visual Basic.net, para calcular la capacidad de carga

admisible de un suelo que permitirá la variación de los resultados de cada unas de las

metodologías empleadas.

• Incentivar a los estudiantes de la Universidad Técnica Particular de Loja a que sean participes

(17)

CAPÍTULO II

(18)

3

2. CONCEPTOS Y PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE

2.1 CAPACIDAD DE CARGA 2.1.1 DEFINICIÓN

La capacidad de carga de falla del material que sirve de apoyo al cimiento, se puede determinar

del análisis teórico, considerando las propiedades físicas reales de ese material, o en algunos

casos, de una apropiada interpretación de ensayos de carga adecuados. Para la capacidad de

carga de falla, pueden emplearse las propiedades promedio del material de apoyo, para cada

zona de variación errática, un criterio puede ser el emplear en el análisis de la resistencia más

adecuado obtenido.

En el estudio de una cimentación en una estructura importante, las propiedades mecánicas del

material de apoyo, la magnitud y distribución de las cargas, son los factores dominantes para

determinar la capacidad de carga y el factor de seguridad apropiado.

El análisis de la capacidad de carga de un cimiento; la capacidad de carga depende entre otras

cosas la resistencia del material de apoyo, y esta resistencia está en función de la falla de ese

material, es decir, el material resistente bajo la acción de cargas hasta que falla, por ello, resulta

conveniente mencionar los tipos de falla que comúnmente se presentan detallados a

continuación, cuando se presentan en cimientos superficiales.

Lo que podría considerarse como el inicio de la investigación moderna del problema, principal

con un trabajo teórico de investigación de Terzaghi en 1943 que resumió lo que hasta esa

fecha se tenía, en forma tal, que su contribución ha sido básica. A partir de entonces, muchos

ingenieros, investigadores han tratado este tema con la idea de obtener resultados más

próximos a la realidad.

En lo que sigue se mencionaran la teoría y criterio de la capacidad de carga en los suelos para

la práctica diaria, de manera que, puedan servir de base para entrar a los refinamientos

(19)

2.2 T 2.2.1 Cons cohe grad unida cierto suelo del t últim como • • • • UNIV

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(21)

6

Situación cuando ocurre rotura local

Es típica en suelos de compresibilidad media (algunas arcillas, limos blandos y de arenas

medias a flojas).

2.3 PARÁMETROS QUE AFECTAN A LA CAPACIDAD DE SOPORTE DEL SUELO 2.3.1 Nivel freático

La presencia de agua freática cerca de la cimentación afecta considerablemente la capacidad

de carga y asentamiento de está, entre otras cosas El nivel del agua cambia con las estaciones.

En muchos casos puede ser necesario establecer los niveles máximo y mínimo posibles del

agua durante la vida útil de un proyecto. (Braja. M. Das.)

2.3.2 Factor de seguridad

Otro hecho importante es la selección del factor de seguridad, que conocidas las propiedades

del suelo, del tipo de carga y del peligro impuesto por una falla completa de la cimentación.

Para la mayoría de las estructuras donde no hay posibilidad de tolerar la falla del material de

apoyo y cuando se conocen razonablemente, las propiedades mecánicas de ese material, así

como las cargas en cuanto a magnitud y distribución, un factor de seguridad de orden 3.00

puede emplearse para la consideración de cargas totales. Si hay un componente grande de la

carga viva, que es improbable que se desarrolle, un factor de seguridad de 2.00 puede ser

empleado para la carga total o se puede reducir la carga viva. Cuando las condiciones del

material de apoyo no están bien establecidas, un factor de seguridad de 3 puede emplearse, y

si hay condiciones sospechosas, el valor del factor de seguridad debe elevarse a 4. (Braja. M.

Das)

2.4 PARÁMETROS RESISTENCIA AL CORTE 2.4.1 Ángulo de fricción

Es la resistencia al deslizamiento causado por la fricción que hay entre las superficies de

contacto de las partículas y de su densidad.

Como en los suelos granulares tienen superficies de contacto mayores y sus partículas

especialmente granulares, presentan una buena relación, donde tendrán fricciones internas

(22)

7

2.4.2 Cohesión

Es la atracción entre partículas, originada por las fuerzas moleculares y las películas de agua.

Por lo tanto, la cohesión de un suelo varía si cambia su contenido de humedad. La cohesión se

mide Kg/cm³.

Los suelos arcillosos tienen cohesión alta de 0.25 Kg/cm³a 1.5 Kg/cm³, o más.

Los suelos limosos tienen muy poca, y en las arenas la cohesión es prácticamente nula. (Prof.

Dr. Jorge A. Capote Abreu)

2.5 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS

Para la completa identificación de un suelo el ingeniero o estudiante necesita saber lo siguiente:

- tamaño - granulometría - forma

- orientación

- composición química de las partículas

-las fracciones coloidales y sedimentables que contiene.

No obstante, las propiedades físicas del suelo pueden hacerse variar considerablemente mediante la incorporación de pequeñas cantidades de sustancias químicas.

Cuando las propiedades superficiales de las partículas son importantes, las formas de éstas

adquieren por lo menos la misma importancia que la granulometría. En condiciones normales,

una característica significativa es la ubicación relativa de las partículas dentro del suelo, lo que

determina la resistencia a los desplazamientos internos y constituye, por lo menos, una medida

cualitativa de las fuerzas de resistencia a las fuerzas cortantes y a la compresión.

Se han realizado muchos intentos de clasificación de los suelos o terrenos con base en

propiedades comunes e identificables. Sin embargo, conforme se ha ido acumulando

información acerca de las propiedades de los suelos, los sistemas de clasificación se han

tornado cada vez más elaborados y complejos.

Una de las principales dificultades consiste en que se quieren utilizar las mismas clasificaciones

(23)

8

útil cuando el problema se relaciona básicamente con el diseño de cimentaciones para edificios

industriales (Prof. Dr. Jorge A. Capote Abreu)

Porosidad.

Es el volumen de poros expresado en porcentaje (%) del volumen total, es decir la relación de

dividir el volumen sólido entre el volumen de sólido más aire más agua que contiene el material.

Densidad.

Es la relación del peso por unidad de volumen. La máxima densidad de un suelo se obtiene si

los huecos entre partículas de un diámetro determinado se rellenan con partículas de diámetro

menor.

Capilaridad.

Indica la capacidad de un suelo para absorber agua en dirección vertical o lateralmente. Es una

característica beneficiosa de os materiales usados en las capas bases porque permiten el paso

del agua.

Compresibilidad.

Indica el porcentaje de reducción en el volumen del suelo, debido a perdida de parte del agua

entre sus granos, cuando está sometido a una presión.

Los materiales arcillosos tienen mayor compresibilidad que los granulares, por lo que al ser

compactadas quedan con menor capilaridad, son por tanto menos adecuadas para construir

bases.

Elasticidad.

Es la tendencia del suelo a recuperar su forma original al quitar la carga que lo comprime. Un

suelo muy elástico es muy difícil de compactar y requiere técnicas especiales.

Permeabilidad.

Característica del suelo que indica la facilidad del suelo para permitir el paso de agua a su

través. Depende de su textura, granulometría y grado de compactación, cuanto más gruesas

(24)

9

Plasticidad.

Es la propiedad de deformarse rápidamente el suelo bajo la acción de una carga, sin llegar a

romperse o disgregarse, y sin que se recupere la deformación al cesar la acción de la carga.

Esponjamiento.

Capacidad del material para aumentar o disminuir su volumen por la pérdida o acumulación de

humedad. (Prof. Dr. Jorge A. Capote Abreu)

2.6 ENSAYOS PARA CONOCER LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LOS SUELOS

Ensayos de consistencia.

Es el grado de resistencia de un suelo a fluir o deformarse. Con poca humedad los suelos se

disgregan fácilmente, con más humedad el suelo se torna más plástico Las pruebas de

Atterburg determinan los límites de consistencia del suelo que son: Liquido, plástico y sólido, se

expresan generalmente por el contenido de agua.

Limite líquido.

Nos indica el contenido de humedad en que el suelo pasa del estado plástico al líquido e indica

también si el suelo contiene humedad suficiente para superar la fricción y cohesión interna.

Limite plástico.

Cuando el suelo pasa de semi-sólido a plástico porque contiene humedad suficiente se dice que

ha traspasado su límite plástico. La resistencia del suelo disminuye rápidamente al aumentar el

contenido de humedad más allá del límite plástico.

Índice de plasticidad.

Refleja la diferencia numérica entre el índice plástico del suelo y el límite líquido. Permite medir

la capacidad de compresión y la cohesión del suelo.

Contenido de humedad

Es la relación porcentual (%) del peso del agua al peso sólido. Las arenas suelen tener entre un

(25)

10

Granulometría.

La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado tal como se

determina por análisis de tamices (normaASTM D 422).El tamaño de partícula del agregado se determina por medio de tamices de malla de alambre aberturas cuadradas. Los siete tamices

estándar para agregado fino tiene aberturas que varían desde la malla No. 100(150 micras) hasta 9.52 mm.

La granulometría y el tamaño máximo de agregado afectan las proporciones relativas de los

agregados así como los requisitos de agua y cemento, la trabajabilidad, capacidad de bombeo,

economía, porosidad, contracción [6]

2.7 ENSAYO DE RESISTENCIA AL CORTE PARA OBTENER PARÁMETROS DE COHESIÓN Y ÁNGULO DE FRICCIÓN (φ′)

Para la mayoría de los trabajos de rutina, los parámetros de la resistencia de corte de un suelo

(es decir, c′ y φ′) se determina por medio de dos pruebas estándar de laboratorio: la prueba de corte directo y la prueba triaxial [2]

2.7.1. Ensayo de Corte Directo NORMA (ASTM D 3080-72) Generalidades.

Cuando una estructura se apoya en la tierra, transmite los esfuerzos al suelo de fundación.

Estos esfuerzos producen deformaciones en el suelo que pueden ocurrir de tres maneras:

a. Por deformación elástica de las partículas.

b. Por cambio de volumen en el suelo como consecuencia de la evacuación del líquido

existente en los huecos entre las partículas.

c. Por deslizamiento de las partículas, que pueden conducir al deslizamiento de una gran

masa de suelo.

El objetivo principal es determinar los parámetros de corte como la cohesión y el ángulo de

(26)

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(27)

12

consolidación y expansión. Luego se aplica el esfuerzo de corte a una velocidad muy baja

(0.025pulg/min), siendo las presiones intersticiales nulas.

Para suelos no cohesivos, estos dos ensayos dan el mismo resultado, esté la muestra saturada

o no, y por supuesto, si la tasa de aplicación del corte no es demasiado rápida. Para materiales

cohesivos, los parámetros de suelos están marcadamente influidos por el método de ensayo y

por el grado de saturación, y por el hecho de que el material esté normalmente consolidado o

sobre consolidado.

Se permite el drenaje de la muestra durante todo el ensayo es análogo al ensayo

traxial consolidado – drenado [2]

2.7.2 Ensayo Triaxial.

(28)

13

Generalidades

El ensayo Triaxial constituye el método más versátil en el estudio de las propiedades

esfuerzo-deformación. Con este ensayo es posible obtener una gran variedad de estados reales de

carga.

Esta prueba es la más común para determinar las propiedades esfuerzo-deformación. Una

muestra cilíndrica de un suelo es sometida a una presión de confinamiento en todas sus caras.

A continuación se incrementa el esfuerzo axial hasta que la muestra falla. Como no existen

esfuerzos tangenciales sobre las caras de la muestra cilíndrica, el esfuerzo axial y la presión de

confinamiento, son los esfuerzos principal mayor y principal menor respectivamente. Al

incremento de esfuerzo axial, se denomina esfuerzo desviador.

Esta norma tiene como objetivo determinar la resistencia al esfuerzo cortante y la relación

esfuerzo cortante y la relación esfuerzo – deformación de una muestra cilíndrica suelo

inalterado o remoldeada. [3]

Muestras inalteradas

Se pueden obtener a partir de bloques inalterados o mediante tubos de pared delgada.

Mediante bloques inalterados, se deben perfilar la muestra hasta obtener el diámetro y altura

final, y con tubos de pared delgada se recortarán solamente las superficies planas.

Posteriormente, se efectúan las dimensiones de las probetas y se registra el peso, luego se

determina el contenido de humedad. [3]

Muestras remoldeadas.

Consiste en mezclar el suelo con agua, y dejar en reposo por lo menos un tiempo de 16 horas,

luego compactar y escarificar cinco capas de suelo en un molde hasta obtener la densidad

deseada.

Con el calibrador determinar las dimensiones de la probeta, registrar su peso y determinar el

contenido de humedad (esta entre 2-3 veces el diámetro de diámetro)

Explícitamente, consiste en colocar una muestra cilíndrica del suelo dentro de una membrana

(29)

14

confinamiento (σ3). Alcanzando ese estado de equilibrio, se aumenta la presión normal ó axial

(σ1), sin modificar la presión lateral aplicada, hasta que se produzca la falla.

Los esfuerzos de cortante se aplican mediante fuerzas de compresión verticales (al incremento

de esfuerzo axial se denomina esfuerzo desviador) que se requiere para hacer la muestra.

Además el drenaje se realiza a través de las piedras porosas.

Dependiendo del tipo de suelo y las condiciones en que esta trabajará, las alternativas para

realizar un ensayo son consolidado – drenado (CD), no consolidado – no drenado (UU) y

consolidado no drenado (CU). A continuación describiremos dos ensayos UU y CD.[3]

2.7.2.1 Ensayos no consolidados – no drenados (UU)

En este ensayo no se satura la muestra. La Válvula de drenaje permanece cerrada durante todo

el ensayo, tanto en la etapa de consolidación como en la etapa de carga.

Simplemente la muestra se coloca en la cámara traxial, se aplica la presión de aislamiento (o de

cámara)(σ3), y rápidamente se aplica la carga axial.

Este ensayo se lo utiliza para modelar, en el caso de un terraplén, o una carga colocada muy

rápidamente sobre un manto de arcilla saturada de muy baja permeabilidad. [3]

2.7.2.2 Ensayos consolidados – drenados (CD)

Su principal característica en que se pueden determinar los esfuerzos efectivos. En primer lugar

el suelo se somete a una presión hidrostática, con la válvula de drenaje abierta y se deja

transcurrir el tiempo necesario para que haya una completa consolidación bajo la presión

actuante.

A continuación, la muestra es llevada a la falla aplicando la carga axial en pequeños

incrementos, en cada uno de los cuales se mantiene el tiempo necesario para disipar la presión

de poros.[3]

(30)

15

2.7.2.3 Circulo de Mohr

Representación gráfica de los estados de esfuerzo de una muestra de suelo, sometida a una

prueba de compresión Triaxial.

La construcción gráfica, para definir el lugar geométrico de un punto P, por medio de círculos, es de gran importancia en la mecánica de suelos. Estas resultantes son conocidas como

tensiones de círculo de Mohr, el valor de c′ para arenas y arcillas normalmente consolidadas es

igual a cero. Para arcillas preconsolidadas, c′>0. (Braja. M.Das.2006)

Esfuerzo Cortante

Envolvente de falla por esfuerzo efectivo

σ σ Esfuerzo σ

Normal σ

Fig.6 Diagrama de Mohr para compresión Triaxial Fuente: Braja M. Das (2006)

2.7.3 Ventajas:

Algunas ventajas de los ensayos de compresión Triaxial son:

• La muestra no es forzada a inducir la falla sobre una superficie determinada

• Consecuentemente, una prueba de compresión puede revelar una superficie débil relacionada a alguna característica natural de la estructura del suelo.

• Las tensiones aplicadas en pruebas de compresión en laboratorio, son una aproximación de aquellas que ocurren en situ.

(31)

16

• Las condiciones de drenaje pueden ser controladas y es posible una gran variedad de condiciones de prueba.

2.8 CIMENTACIÓN

La cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las cargas al terreno,

el cual es el único elemento que no podemos elegir, por lo que la cimentación la realizaremos

en función del mismo. Al mismo tiempo este no se encuentra todo a la misma profundidad por lo

que eso será otro motivo que nos influye en la decisión de la elección de la cimentación

adecuada.

La resistencia es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la estructura. Hay

que prestar especial atención ya que la estabilidad de la construcción depende en gran medida

del tipo de terreno.

La finalidad de la cimentación es sustentar estructuras garantizando la estabilidad y evitando

daños a los materiales estructurales y no estructurales.[1]

2.8.1 Rigidez del terreno de cimentación

Supongamos una cimentación sobre la que apoyan dos pilares. Cuando el terreno sobre el que

apoya es una roca competente, la presión de contacto presenta la forma que se muestra en la

transparencia porque la roca admite, sin romperse, unos elevados esfuerzos; cuando la

competencia del terreno es menor, al no poder soportar unos esfuerzos tan elevados se rompe,

redistribuyendo lateralmente las tensiones de manera que la tensión máxima es menor que en

el caso anterior; cuando el terreno presenta una escasa competencia, la distribución de

tensiones es casi uniforme, siendo el valor máximo de la misma el más reducido de las tres

situaciones comentadas. [1]

2.8.2 Tipo de cimentación

La elección del tipo de cimentación depende especialmente de las características mecánicas

del terreno como su cohesión, el ángulo de rozamiento interno, posición del nivel freático y

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17

A partir de estas características se calcula la capacidad portante, que conjunto con la

homogeneidad del terreno aconsejan usar un tipo u otro diferente de cimentación. Siempre que

sea posible se emplean cimentaciones superficiales, ya que son el tipo de cimentación menos

costoso y más simple de ejecutar. Cuando por problemas con la capacidad portante o la

homogeneidad del mismo no es posible usar cimentación superficial se valoran otros tipos de

cimentaciones. [1]

2.8.2.1. Cimentaciones superficiales

Son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener

éste suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y

relativamente livianas.

Cuando a nivel de la zona inferior de la estructura, el terreno presenta características

adecuadas desde los puntos de vista técnico y económico para cimentar sobre él, la

cimentación se denominará superficial o directa. Las cimentaciones superficiales estarán

constituidas por zapatas, vigas y placas, o por combinaciones de estos elementos. [5]

2.8.2.1.1 Capacidad portante.

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.

De manera análoga, la expresión capacidad portante se utiliza en las demás ramas de la ingeniería para referir a la capacidad de una estructura para soportar las cargas aplicadas sobre

(33)

18

En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones, incluso las superficiales, se

apoyan a suficiente profundidad como para garantizar que no se produzcan deterioros. Las

cimentaciones superficiales se clasifican en:

• Zapatas.

o Zapatas aisladas.

o _{Zapatas corridas.}

o Zapatas combinadas.

2.9 ZAPATAS

Las zapatas son elementos de cimentación que se apoyan directamente sobre el terreno,

generalmente a una profundidad reducida y de forma variable pero preferentemente cuadrada,

rectangular o circular. [1]

2.9.1 Zapata aislada cuadrada.

La zapata aislada comúnmente se utiliza para transportar la carga concentrada de una columna

cuya función principal consiste en aumentar el área de apoyo en ambas direcciones.

En general, su construcción se aconseja cuando la carga de la columna es aproximadamente

75% más baja que la capacidad de carga admisible del suelo. Se recomienda que la zapata

aislada deba emplearse cuando el suelo tenga una capacidad de carga admisible no menor de

10000 kg/m2, con el fin de que sus lados no resulten exageradamente grandes.

Él calculo de estas zapatas se basa en los esfuerzos críticos a que se encuentran sometidas,

pero su diseño lo determinan el esfuerzo cortante de penetración, la compresión de la columna

sobre la zapata, el esfuerzo de flexión producido por la presión ascendente del suelo contra la

propia zapata, los esfuerzos del concreto en el interior de la zapata, así como el deslizamiento o

falta de adherencia del acero con el concreto. [1]

2.9.2 Zapata aislada rectangular

Las zapatas aisladas rectangulares son prácticamente iguales a las cuadradas; ambas trabajan

y se calculan en forma similar y se recomiendan en aquellos casos donde los ejes entre

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19

Por su forma rectangular presenta dos secciones críticas distintas para calcular por flexión. En

zapatas que soporten elementos de concreto, será el plomo vertical tangente a la cara de la

columna o pedestal en ambos lados de la zapata.

En zapatas aisladas rectangulares en flexión en dos direcciones, el refuerzo paralelo al lado

mayor se distribuirá uniformemente. [1]

2.9.3 Zapatas aisladas circulares

Este tipo de zapatas no es de uso frecuente excepto en caso de edificaciones singulares o

soluciones prefabricadas, pues el costo de la armadura sería elevado por la dificultad de su

disposición. El uso de zapatas circulares exige la necesidad de usar una geometría especial con

canto variable y por tanto la necesidad de encofrado para su ejecución in situ. Por estas causas

su uso no es recomendable económicamente excepto en los casos anteriormente mencionados

Dentro de las zapatas circulares encontraremos dos disposiciones distintas de armado:

• Zapata circular con armado circunferencial

• Zapata circular con armado con emparrillado. [1]

2.9.4 Zapatas corridas

La zapata corrida es una zapata continua que servirá como cimentación generalmente a un

muro de hormigón armado. El elemento estructural que transmitirá los esfuerzos a la

cimentación será por tanto un muro. El muro transmitirá una carga lineal a la zapata. Esta

solución es muy apta tanto para edificios residenciales como industriales con sótanos que

requieran de muros de contención.

Las zapatas corridas se emplean para cimentar muros portantes, o hileras de pilares.

Estructuralmente funcionan como viga flotante que recibe cargas lineales o puntuales

separadas.

Pueden ser bajo muros, o bajo pilares, y se define como la que recibe cargas lineales, en

(35)

20

flector a la cimentación. Son cimentaciones de gran longitud en comparación con su sección

transversal.

Las zapatas corridas se aplican normalmente a muros. Pueden tener sección rectangular,

escalonada o estrechada cónicamente. Sus dimensiones están en relación con la carga que

han de soportar, la resistencia a la compresión del material y la presión admisible sobre el

terreno.

Las zapatas corridas están indicadas cuando:

• Se trata de cimentar un elemento continuo

• Queremos homogeneizar los asientos de una alineación de pilares y nos sirve para

arriostramiento

• Queremos reducir el trabajo del terreno

• Para puentear defectos y heterogeneidades del terreno

• Por la proximidad de las zapatas aisladas, resulta más sencillo realizar una zapata

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