Capacidad de carga de cimentación superficial

Texto completo

(1)

CAPACIDAD DE CARGA DE UNA CIMENTACIÓN SUPERFICIAL

CAPACIDAD DE CARGA DE UNA CIMENTACIÓN SUPERFICIAL

La capacidad de carga de una cimentación puede definirse a partir de formulaciones teóricas o mediante pruebas "in situ". La capacidad de carga de una cimentación puede definirse a partir de formulaciones teóricas o mediante pruebas "in situ". Entre las pruebas "in situ" más importantes que podrían usarse para esa finalidad figuran las pruebas de carga con placas Entre las pruebas "in situ" más importantes que podrían usarse para esa finalidad figuran las pruebas de carga con placas rígidas o la utilización de

rígidas o la utilización de presiómetros. No obstante, estos métodos son poco usuales para presiómetros. No obstante, estos métodos son poco usuales para el estudio de la el estudio de la cimentacicimentación deón de edificios y su uso

edificios y su uso se restringe a proyectos de mayor se restringe a proyectos de mayor envergadura.envergadura.

La solución teórica del problema de capacidad de soporte de cimentaciones superficiales implica la determinación de la La solución teórica del problema de capacidad de soporte de cimentaciones superficiales implica la determinación de la carga máxima que puede transmitir la cimentación para producir un estado de esfuerzos de falla, en la masa de suelo. carga máxima que puede transmitir la cimentación para producir un estado de esfuerzos de falla, en la masa de suelo. Usualmente se aplica el

Usualmente se aplica el

análisis de equilibrio límite

análisis de equilibrio límite

, lo que produce la ecuación “clásica” de la capacidad de soporte de, lo que produce la ecuación “clásica” de la capacidad de soporte de suelos. (Ver apartado

suelos. (Ver apartado Falla de masas de sueloFalla de masas de suelo). Se debe tener presente que la ). Se debe tener presente que la ecuación clásica se aplica específicamecuación clásica se aplica específicamente alente al caso en que se da una

caso en que se da una

falla general

falla general

del terreno, por lo del terreno, por lo que en otros casos que en otros casos se deben hacer modificaciones.se deben hacer modificaciones.

Ecuación de capacidad de carga de Terzaghi

Ecuación de capacidad de carga de Terzaghi

Para el cálculo de la capacidad de carga se utiliza como base

Para el cálculo de la capacidad de carga se utiliza como base la teoría desarrollada por Terzaghi en 1943, la cual a su la teoría desarrollada por Terzaghi en 1943, la cual a su vez sevez se derivó de los trabajos de Prandtl sobre punzonamiento de sólidos plásticos en los años 1920. Este autor analizó una derivó de los trabajos de Prandtl sobre punzonamiento de sólidos plásticos en los años 1920. Este autor analizó una cimentación de ancho B, infinitamente larga, a una profundidad de desplante D, como se muestra en la figura. La cimentación de ancho B, infinitamente larga, a una profundidad de desplante D, como se muestra en la figura. La resistencia del suelo sigue el criterio de falla de Mohr

resistencia del suelo sigue el criterio de falla de Mohr

‐‐

Coulomb, (es decirCoulomb, (es decir τ τ f f ==cc++σ σ tantan

φφ

), y la solución obtenida se puede), y la solución obtenida se puede simplificar a los dos casos extremos (

simplificar a los dos casos extremos (c’ c’ =0,=0,

φφ

’’

≠≠

0 para condición drenada y0 para condición drenada y

φφ

=0,=0, cc==ssuupara condición no drenada) sin que lapara condición no drenada) sin que la ecuación su validez general. La solución del

ecuación su validez general. La solución del problema fue obtenida asumiendo un mecanismo de falla similar al problema fue obtenida asumiendo un mecanismo de falla similar al observadoobservado en modelos experimentales con cimentaciones sobre arena, como se presenta en

en modelos experimentales con cimentaciones sobre arena, como se presenta en la siguiente figura.la siguiente figura.

Capacidad de carga, Capacidad de carga, q qúltúlt ττf f  σ σ D D B B Sobrecarga,

Sobrecarga,γγDD SSoobbrreeccaarrggaa,,γγDD

B B Q 

Para considerar el efecto del esfuerzo existente en el suelo a la profundidad de desplante, Terzaghi lo sustituyó con una Para considerar el efecto del esfuerzo existente en el suelo a la profundidad de desplante, Terzaghi lo sustituyó con una sobrecarga

sobrecarga en la superficie del terreno. El valor de la sobrecarga esen la superficie del terreno. El valor de la sobrecarga es

γγ

DD. Los ángulos que definen la superficie de falla bajo. Los ángulos que definen la superficie de falla bajo el cimiento fueron asignados con el valor de

el cimiento fueron asignados con el valor de

φφ

’ y no con el valor 45°+’ y no con el valor 45°+

φφ

’/2, por considerar que existe fricción con el’/2, por considerar que existe fricción con el cimiento. En la zona fuera del cimiento los

cimiento. En la zona fuera del cimiento los ángulos de inclinación del plano de falla ángulos de inclinación del plano de falla fueron asignados con el valor 45°–fueron asignados con el valor 45°–

φφ

’/2’/2 (caso pasivo). Entre ambas zonas existe una de transición, en la cual la inclinación del plano de

(caso pasivo). Entre ambas zonas existe una de transición, en la cual la inclinación del plano de falla sigue unafalla sigue una curva espiral curva espiral  logarítmica

logarítmica, que se , que se asemeja a las observaciones de fallas con modelos.asemeja a las observaciones de fallas con modelos.

Terzaghi analizó por separado los efectos de la sobrecarga, el peso propio del suelo y de cada uno de los parámetros de Terzaghi analizó por separado los efectos de la sobrecarga, el peso propio del suelo y de cada uno de los parámetros de resistencia (

resistencia (cc yy φ φ ) y calculó los valores de la carga) y calculó los valores de la carga qqrequeridos para producir la falla simultánea en toda la superficie. Larequeridos para producir la falla simultánea en toda la superficie. La capacidad de carga última o máxima (

capacidad de carga última o máxima ( qqúlt últ ) para un cimiento continuo de ancho) para un cimiento continuo de ancho BB a la profundidad de desplantea la profundidad de desplante DD (con(con D

D<<BB), en un material homogéneo con peso ), en un material homogéneo con peso unitariounitario

γγ

, está dada por:, está dada por:

γγ

γγ

++

γγ

++

==

cNcN DNDN BNBN q qúlt últ  cc qq 2211 en donde

en donde NNcc,, NNqqyy NNγγson conocidos comoson conocidos como

factores de capacidad de carga.

factores de capacidad de carga.

Según Terzaghi (1943):Según Terzaghi (1943):

( ( ))

( ( ))

2 2 4 4 2 2 tan tan cos cos // 2 2−−φφ φφ ππ

++

φφ

==

ee ππ N

Nqq NNcc

==

((NNqq

−−

11))//tantan

φφ

NNγγ

==

1221tantan

φφ

[ [

K K ppγγ//coscos22

φφ

−−

11

]]

K  p pγγes es el el coeficiente coeficiente de de empuje empuje de de tierras tierras pasivo pasivo y y su su valor valor está está dado dado por por K K  p pγγ

==

tantan22((

ππ

//44

++

φφ

''//22)). Sin embargo, Terzaghi. Sin embargo, Terzaghi

utilizó otros valores y nunca publicó la forma en que los calculó. Por lo tanto, usualmente se recurre a otras ecuaciones utilizó otros valores y nunca publicó la forma en que los calculó. Por lo tanto, usualmente se recurre a otras ecuaciones conocidas, o a los gráficos y

conocidas, o a los gráficos y valores calculados por Terzaghi para algunos valores devalores calculados por Terzaghi para algunos valores de

φφ

, tal como aparecen en las siguientes, tal como aparecen en las siguientes tablas.

(2)

Factores de capacidad de carga según diferentes autores

Autor \ Factor

Nq Nc Nγ

Meyerhof (1963)

πtanφtan2

( )

π4

+

2φ

e (Nq

1)/tan

φ

(

Nq

1

)

tan

(

1,4

φ

)

Hansen (1970)

eπtanφtan2

( )

π4

+

φ2 (

1)/tan

φ

q

N 1,5Nq

1 tan

φ

Terzaghi Terzaghi Mod, (falla local) Prandtl Reissner Meyerhoff 

φ(º) Nc Nq Nγ N’c N’q N’γ Nc Nq Nγ φ(º) 0 5,70 1,00 0 5,70 1 0 5,14 1 0 0 1 6,00 1,10 0,01 5,9 1,07 0,005 5,38 1,09 0,002 1 2 6,30 1,22 0,04 6,10 1,14 0,02 5,63 1,20 0,010 2 3 6,62 1,35 0,06 6,30 1,22 0,04 5,90 1,31 0,023 3 4 6,97 1,49 0,10 6,51 1,30 0,055 6,19 1,43 0,042 4 5 7,34 1,64 0,14 6,74 1,39 0,074 6,49 1,57 0,070 5 6 7,73 1,81 0,20 6,97 1,49 0,10 6,81 1,72 0,106 6 7 8,15 2,00 0,27 7,22 1,59 0,128 7,16 1,88 0,152 7 8 8,60 2,21 0,35 7,47 1,70 0,16 7,53 2,06 0,209 8 9 9,09 2,44 0,44 7,74 1,82 0,20 7,92 2,25 0,280 9 10 9,61 2,69 0,56 8,02 1,94 0,24 8,35 2,47 0,367 10 11 10,16 2,98 0,69 8,32 2,08 0,30 8,80 2,71 0,417 11 12 10,76 3,29 0,85 8,63 2,22 0,35 9,28 2,97 0,596 12 13 11,41 3,63 1,04 8,96 2,38 0,42 9,81 3,26 0,744 13 14 12,11 4,02 1,26 9,31 2,55 0,48 10,37 3,59 0,921 14 15 12,86 4,45 1,52 9,67 2,73 0,57 10,98 3,94 1,129 15 16 13,68 4,92 1,82 10,06 2,92 0,67 11,63 4,34 1,385 16 17 14,60 5,45 2,18 10,47 3,13 0,76 12,34 4,77 1,664 17 18 15,12 6,04 2,59 10,90 3,36 0,88 13,10 5,26 2,003 18 19 16,56 6,70 3,07 11,36 3,61 1,03 13,93 5,80 2,403 19 20 17,69 7,44 3,64 11,85 3,88 1,12 14,83 6,40 2,871 20 21 18,92 8,26 4,31 12,37 4,17 1,35 15,82 7,07 3,421 21 22 20,27 9,19 5,09 12,92 4,48 1,55 16,88 7,82 4,066 22 23 21,75 10,23 6,00 13,51 4,82 1,74 18,05 8,66 4,824 23 24 23,36 11,40 7,08 14,14 5,20 1,97 19,32 9,60 5,716 24 25 25,13 12,72 8,34 14,80 5,60 2,25 20,72 10,66 6,765 25 26 27,09 14,21 9,84 15,53 6,05 2,59 22,25 11,85 8,002 26 27 29,24 15,90 11,60 16,30 6,54 2,88 23,94 13,20 9,463 27 28 31,61 17,81 13,70 17,13 7,07 3,29 25,80 14,72 11,190 28 29 34,24 19,98 16,18 18,03 7,66 3,76 27,86 16,44 13,236 29 30 37,16 22,46 19,13 18,99 8,31 4,39 30,14 18,40 15,668 30 31 40,41 25,28 22,65 20,03 9,03 4,83 32,67 20,63 18,564 31 32 44,04 28,52 26,87 21,16 9,82 5,51 35,49 23,18 22,022 32 33 48,09 32,23 31,94 22,39 10,69 6,32 38,64 26,09 26,166 33 34 52,64 36,50 38,04 23,72 11,67 7,22 42,13 29,44 31,156 34 35 57,75 41,44 45,41 25,18 12,75 8,35 46,12 33,30 37,152 35 36 63,53 47,16 54,36 26,77 13,97 9,41 50,59 37,75 44,426 36 37 70,01 53,80 65,27 28,51 15,32 10,90 55,63 42,92 53,270 37 38 77,50 61,55 78,61 30,43 16,85 12,75 61,35 48,93 64,073 38 39 85,97 70,61 95,03 32,53 18,56 14,71 67,87 55,96 77,332 39 40 95,66 81,27 115,31 34,87 20,50 17,22 75,31 64,20 93,696 40 41 106,81 93,85 140,51 37,45 22,70 19,75 83,86 73,90 113,985 41 42 119,67 108,75 171,99 40,33 25,21 22,50 93,71 85,38 139,316 42 43 134,58 126,50 211,56 43,54 28,06 26,25 105,11 99,02 171,141 43 44 151,95 147,74 261,60 47,13 31,34 30,40 118,37 115,31 211,406 44 45 172,88 173,28 325,34 51,17 35,11 36,00 133,88 134,88 262,739 45 46 196,22 204,19 407,11 55,73 39,48 41,70 152,10 158,51 328,728 46 47 224,55 241,80 512,84 60,91 44,54 49,30 173,64 187,21 414,322 47 48 258,28 287,85 650,67 66,80 50,46 59,25 199,26 222,31 526,444 48 49 298,71 344,63 831,99 73,55 57,41 71,45 229,93 265,51 674,908 49 50 347,50 415,14 1072,8 81,31 65,60 85,75 266,89 319,07 873,843 50

(3)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

100

200

300

400

500

600

700

   F    a    c    t    o    r    e    s

Ángulo de Fricción,

φ

(º)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0,1

1

10

100

1000

Factores de Capacidad de Carga según Terzaghi

   F    a    c    t    o    r    e    s

Ángulo de Fricción,

φ

(º)

N c N q N γ N c N q N γ

Escogencia de parámetros de resistencia para el análisis de capacidad de carga de cimentaciones superficiales

La capacidad de carga de una cimentación depende fundamentalmente de la resistencia al cortante del suelo y, por lo tanto, las características o propiedades que afecten la resistencia también son importantes para la capacidad de carga. El análisis debe considerar la condición de carga que induce la construcción de la cimentación y para edificaciones comunes se pueden separar los suelos de grano grueso, que responden en condición drenada y los de grano fino, que responden en

(4)

condición no drenada. Desde esta perspectiva, los parámetros de resistencia que se utilizan en el cálculo de capacidad de carga deben ser el ángulo de fricción de los suelos de grano grueso y la resistencia en condición no drenada (cohesión aparente) de los suelos de grano fino. En general, los factores de capacidad de carga son dependientes del ángulo de fricción

φ

del material y de la teoría de análisis que se utilice. La escogencia de la teoría por utilizar en un determinado diseño quedará a criterio del especialista.

Cualquiera sea la solución teórica escogida, la capacidad de carga de los suelos de grano fino y baja permeabilidad (arcillas y limos), que responden en condición no drenada a la construcción de la estructura, se debe calcular usando solamente el parámetro de Mohr – Coulomb c (su), en conjunto con

φ

u=0. En este caso, la ecuación se reduce a:

D cN qúlt 

=

c

+

γ

Se observa que en condición no drenada un componente de la capacidad máxima (término de la ecuación) es la sobrecarga,

γ

D. Esto significa que la capacidad de soporte máxima neta es el término cNc. El factor de carga Ncmultiplica la resistencia y representa el aporte de toda la masa de suelo a la capacidad de soporte. El análisis de equilibrio límite de un suelo sin peso permite definir el intervalo de valores de Nc. Con modelos sencillos se obtiene que 5,14<Nc<6.

La capacidad de carga de los suelos de grano grueso (arenas y gravas), que responden en condición drenada, se determina con los valores de los factores correspondientes al ángulo de fricción interna (

φ

’). En la mayoría de estos casos, el valor del parámetro c’ (cohesión real) es nulo y en la ecuación se pierde el primer término (c=0), por lo que queda simplificada a:

γ

γ

+

γ

=

DN BN qúlt  q 12

Esta ecuación usualmente da valores de capacidad máxima superiores a los de la condición no drenada para el rango de valores típicos de los suelos, lo cual hace evidente la ventaja de suelos de grano grueso con respecto a los de grano fino para la construcción de cimentaciones.

En el caso de cimientos sobre arenas muy sueltas o arcillas muy blandas, para analizar la condición más probable de falla local, Terzaghi recomendó reducir los valores de los parámetros de resistencia de la ecuación ( c y

φ

) según se indica en la siguiente tabla. El uso del valor de

φ

reducidoda como resultado los valores modificados (no efectivos) de N’ c, N’ qy N’ γque

aparecen en la tabla anterior.

Parámetro de la Ecuación

Valor a usar en suelos blandos

c(Arcillas) 32su

φ

(Arenas) tan−1

[

32tan

φ

'

]

La mayoría de los factores de capacidad de carga dados por las soluciones teóricas corresponden a un cimiento corrido de base horizontal con carga vertical centrada en el eje, colocado a una profundidad de desplante nula sobre un terreno horizontal formado por suelo homogéneo, con el nivel freático coincidente con el nivel de desplante o por encima de él. Algunas teorías consideran la resistencia al corte del terreno situado por encima del nivel de desplante dentro de la capacidad de carga y otras tienen en cuenta esa parte del terreno solamente como sobrecarga.

Para condiciones diferentes a las que se indican (por ejemplo, placas rectangulares, cargas excéntricas, cargas inclinadas, cimientos en o sobre taludes, etc.), los valores de Nc, Nq y Nγ deberán corregirse o modificarse, de acuerdo con las indicaciones de los apartados siguientes.

(5)

Modificación de las ecuaciones de capacidad de carga para considerar la posición del nivel freático

γ

z

w

D

B

B

γsat

La modificación consiste en utilizar un valor apropiado para el peso unitario

γ

que aparece en los términos segundo y tercero de la ecuación general, según se indica en la tabla adjunta.

γ

γ

+

γ

+

=

cN DN BN qúlt  c 1 q 2 2 1

Profundidad del N.F.

D zw 

0

(

)

 

 

 

  −

γ

γ

+

 

 

 

 

γ

D z D z w  sat  w  1 w  sat 

γ

γ

=

γ

' B D z D

+

γ

(

)

 

 

 

 

+

γ

γ

+

 

 

 

 

γ

B z B D B D z w  sat  w  B D z

+

γ

γ

Modificación por la forma (cimientos circulares o rectangulares)

Puesto que la ecuación de capacidad de carga fue desarrollada para cimientos continuos, para otras configuraciones deberán aplicarse factores de forma sc, sq y sγ que multiplican a los factores de carga Nc, Nq y N

γ

respectivamente. La ecuación modificada de esta manera es:

γ γ

γ

+

γ

+

=

cN s DN s BN s qúlt  c c q q 21

Los factores de forma están definidos por diferentes autores según las ecuaciones que se muestran en la siguiente tabla:

Autor

Forma

s

c

s

q

s

Circular 1,3 1,0 0,6

Terzaghi

Cuadrada 1,3 1,0 0,8

Meyerhof Rectangular

+

tan2(45º

+

φ

/2) L B 0,2 1,0 1,0 para

φ

=0º ) 2 / º 45 ( tan2

+

φ

+

L B 0,1 1,0 para

φ

>10º Hansen Rectangular L B 0,2 para

φ

=0º L B N N 1,0 c q

+

φ

+

sen L B 1,0

0,6 L B 0,4

1,0

En las ecuaciones anteriores: B= ancho del cimiento L= largo del cimiento

Otras modificaciones

Diversos autores han considerado los efectos de cargas excéntricas y cargas inclinadas y han propuesto modificaciones a la ecuación general de Terzaghi. Se recomienda consultar el Código de Cimentaciones de Costa Rica, o el libro “Análisis y Diseño de Cimentaciones” de Joseph P. Bowles.

(6)

Capacidad de carga última y admisible para el diseño de cimentaciones

La capacidad de carga última de un suelo es un valor que se obtiene con algunas incertidumbres asociadas, en función de la calidad de la investigación geotécnica realizada. En algunos casos, los parámetros de resistencia y valores que deben ser utilizados en el diseño han sido determinados a partir de correlaciones con el número de golpes del ensayo de penetración estándar (NSPT ) y no se cuenta con resultados de ensayos de resistencia en el laboratorio, por lo que la incertidumbre alta. Aun cuando se cuente con resultados de laboratorio, las alteraciones que normalmente sufren las muestras de suelo en el proceso de previo al ensayo (extracción, transporte y manipulación), inducen errores que deben ser considerados también como incertidumbres.

Por las razones anteriores, los enfoques de diseño usualmente no consideran la totalidad de la capacidad de carga última como el límite superior de los esfuerzos que serán transmitidos al suelo por la cimentación, sino una fracción de la misma. En el enfoque “clásico” del diseño (esfuerzos de trabajo y teoría elástica), la capacidad de carga última se reduce por un factor de seguridad para obtener la capacidad de carga admisible, la cual es el límite superior de los esfuerzos que transmitirá la cimentación y, por lo tanto, rige el diseño. En ingeniería de cimentaciones, el diseño con factores de carga y resistencia (LRFD) aún no está difundido.

Según el enfoque de diseño para esfuerzos de trabajo, la

capacidad de carga admisible

sería

FS q qadm

=

últ 

La capacidad de carga admisible en este caso incluye la sobrecarga del terreno (

γ

D) y puede ser comparada directamente con la

presión de contacto

bajo la cimentación, pc, la que agrega la edificación al suelo, en exceso de la sobrecarga. Para un conjunto de cargas verticales Q y un área de cimentación A, la presión de contacto sería:

 A Q  pc

=

En la comparación se debe establecer que

adm c q  p

FS q  A Q ult 

FS BN DN cN  A Q c

+

γ

q

+

γ

γ

1 12 2

Capacidad de soporte neta

En el trabajo original de Terzaghi el peso del suelo sobre el cimiento o sobrecarga

γ

D fue considerado como una carga externa adicional que contribuye a incrementar la capacidad del cimiento porque contrarresta la tendencia al levantamiento del terreno circundante. Sin embargo, en la opinión de algunos especialistas, la sobrecarga debería ser restada de la carga máxima que se puede aplicar (presión de contacto) porque su contribución a la misma desaparece cuando la excavación se rellena. En este caso, se obtiene primero la capacidad de carga última neta, qun, (antes de aplicar el factor de seguridad), a partir de la cual se calcula la capacidad admisible neta, qan. Según este enfoque:

D q qun

=

últ 

γ

γ

γ

+

γ

+

=

cN D(N BN qun c 1 q 1) 21 2 FS q qan

=

un

Desde esta perspectiva, la capacidad de soporte admisible neta es la máxima que la cimentación puede agregar al terreno. La capacidad admisible neta se compara posteriormente con la carga neta, qn, el incremento de esfuerzo neto en el terreno que puede producir la cimentación (estructura). La relación entre presión de contacto y carga neta está dada por:

D  p qn

=

c

γ

(7)

qn

qan FS BN N D cN D  pc

γ

c

+

γ

q

+

2

γ

2 γ 1 1 ( 1)

Lo cual resulta en la ecuación

FS BN FS D(N cN  A Q c

+

γ

q

+

+

γ

γ

2 2 1 1 1)

Comparando esta última ecuación con la obtenida anteriormente para la relación entre presión de contacto y capacidad admisible se puede observar que en este caso:

D FS FS FS q  A Q ult  1 1

γ

+

La diferencia con el caso anterior consiste en la adición de una fracción (FS –1)/FS de la sobrecarga a la capacidad admisible. Puesto que la sobrecarga es la cantidad física con la menor incertidumbre en su determinación, la aplicación de este enfoque es más racional desde el punto de vista económico pero condiciona la consideración del aporte de la sobrecarga a un uso cuidadoso del factor de seguridad.

Cuando se usa el enfoque de esfuerzos de trabajo (factor de seguridad) la presión de contacto debe calcularse a partir de las cargas sin mayorar (a diferencia del enfoque LRFD). El factor de seguridad recomendado, en forma general, es de 3,0 si el terreno es de tipo normal y si sus propiedades se han investigado en forma correcta. Este factor de seguridad no debe ser menor de 2,0 aunque se conozcan las cargas máximas con un grado de precisión elevado y se conozcan excepcionalmente bien las condiciones del suelo.

Consideraciones sobre el diseño geotécnico de cimentaciones:

El proceso usual de diseño geotécnico de una cimentación implica la obtención de una capacidad de soporte para definir la geometría y revisar posteriormente las deformaciones y los asentamientos del suelo. En muchos casos, estos últimos son los que definirán el tamaño de la cimentación y no la capacidad de soporte. Un enfoque alternativo para el diseño es el dimensionamiento de la cimentación limitando los asentamientos antes de revisar la capacidad de soporte.

Las cimentaciones deben ser diseñadas de manera que los daños causados a las estructuras por las deformaciones o asentamientos del medio soportante sean evitados o minimizados. Es decir, no debe sobrepasarse el estado límite de servicio impuesto. Al realizar el diseño de la cimentación, debe considerarse que el suelo es un material compresible, que se deforma ante la aplicación de cargas y que las deformaciones o movimientos de la cimentación pueden causar grietas o fisuras en la superestructura, si esta no está diseñada para redistribuirlas adecuadamente. La extensión del daño, sin embargo, puede limitarse a un mínimo económicamente aceptable a través de un cuidadoso diseño estructural.

Optimización del diseño geotécnico de cimentaciones

El diseño geotécnico de una cimentación consiste en la selección de la profundidad de desplante (D) y las dimensiones (ancho B y longitud L) del elemento (placa o losa) que satisfagan los límites establecidos para capacidad de carga y asentamientos admisibles. La capacidad de carga admisible es el esfuerzo máximo que se puede transmitir al suelo soportante sin comprometer la seguridad de la estructura. Los asentamientos admisibles son aquellos que no produzcan la ruptura de las tuberías y otros accesorios que proveen servicios a la estructura, daños a la misma por concentraciones indebidas de esfuerzos en los elementos estructurales o desconexión de los accesos y distorsiones en su apariencia que generen sensaciones de inseguridad en los usuarios. Por lo tanto, los dos criterios fundamentales para el diseño geotécnico de cimentaciones superficiales son la

capacidad de carga o soporte

del suelo (criterio de resistencia) y las

deformaciones

del mismo bajo los esfuerzos de trabajo de la cimentación (criterio de compresibilidad o asentamiento).

Ambos criterios permiten separar a los suelos en las categorías de suelos de grano grueso (arenas y gravas) y suelos de grano fino (limos y arcillas) para el análisis. Los suelos de grano grueso por lo general ofrecen mayor resistencia y menor compresibilidad que los de grano fino. Estos últimos tienen relaciones de vacíos mayores y baja permeabilidad, lo cual significa que ofrecen menor resistencia y mayor deformabilidad.

(8)

Los procedimientos usuales de cálculo de la capacidad de soporte de un suelo permiten establecer combinaciones de profundidad de desplante y dimensiones de los cimientos que satisfacen el requisito de resistencia, por lo que la selección final de las variables debe hacerse en función de los asentamientos que se produzcan en cada combinación y del costo total de la obra.

Cualquiera sea la ecuación o teoría utilizada, la determinación de las dimensiones de la cimentación apropiada implican la solución de la ecuación de capacidad de carga neta que puede soportar un suelo. En el caso general, se utilizan los factores de corrección para considerar la forma de la placa, la profundidad de desplante, etc. Por ejemplo, en el caso de una cimentación rectangular de dimensiones BxL, que transmite una carga axial P, la ecuación es de la forma:

FS s BN s DN s cN BL P  A Q c c

+

γ

q q

+

γ

γ γ

=

2 2 1 1

Como se puede observar, en el caso más sencillo se trata de una ecuación de segundo grado en el parámetro del ancho B, en la cual interviene también el parámetro de la profundidad de desplante D. Por lo tanto, no existe una única solución sino un conjunto de soluciones del ancho B mínimo para cada profundidad D.

Capacidad de carga    A    n    c     h   o  ,        B Profundidad,D qadm=const. Au m e n t o d e c ( s  u ) o φ  Optimización económica    C    o    s    t    o Óptimo    T o  t  a  l  I n v e s t i g a c  i ó n  E xca vac ión Profundidad C  i m e  n t a c i ó  q  a d  m = c o n  s t .

Puesto que el diseño de una cimentación superficial no conduce a una única solución si se consideran solamente los aspectos geotécnicos, es necesario optimizarlo en función del costo total de la misma. Este depende de varios factores, entre los que se destacan:

El costo de la exploración geotécnica, el conjunto de ensayos de campo y laboratorio para determinar la estratigrafía y las propiedades de los suelos relevantes para el diseño. Tiene un componente básico y se incrementa con la extensión horizontal y profundidad que se investigue.

El costo de la excavación necesaria para alcanzar el nivel de “desplante” o basamento y las obras de estabilización temporales. Depende del área del cimiento y se incrementa con la profundidad.

El costo del cimiento, usualmente dado en función del volumen de concreto, acero y del método constructivo, todos estos dependientes del valor de la dimensiones (ancho B) necesarias.

El relleno (y compactación) de la zona excavada.

Los costos más variables son los de la excavación, el relleno y más importante es obviamente el del cimiento. Todos estos dependen de la profundidad de colocación (nivel de desplante) y las dimensiones (ancho y largo) del cimiento, por lo que se debe seleccionar la combinación óptima de esas variables para las cargas específicas del problema y los criterios establecidos previamente. Es evidente que la exploración geotécnica es importante para optimizar el diseño final aunque en sí su costo no sea el mayor. La incertidumbre con que se obtengan las propiedades del suelo para diseño determinan el factor de seguridad que debe usarse y este tiene un impacto importante sobre el costo final de la cimentación. Por lo tanto, es recomendable que no se escatimen recursos en los estudios de campo y laboratorio previos, que puedan contribuir a la optimización del diseño.

(9)

La figura siguiente resume las propiedades de los suelos de grano fino (lado izquierdo) y de grano grueso (lado derecho) necesarias para un diseño adecuado de una cimentación superficial. Se incluyen los parámetros de resistencia y de compresibilidad. Continua Excavación Relleno Ademe Tablestaca D zw B T Arcilla Limo Arena Grava e0/Dr, E c',φ' su B Gs, wn, gd LL, IP e0/wn, OCR, Cc, Cr, cv, E Gs, wn,γd, Cu, Cc, CF, IP(Finos) Cuadrada o circular su(c) c',φ' 3B a 6B máx. 20 m Licuación 0,1q 0,1q

Las propiedades más importantes de conocer son las siguientes:

Estratigrafía y composición del suelo: la profundidad máxima depende del tamaño y la importancia de la obra

Parámetros indicadores: peso unitario seco, humedad natural, gravedad específica, límites de consistencia, granulometría, fracciones, relación de vacíos, densidad relativa, etc.

Parámetros de compresibilidad: índice de compresibilidad, índice de recompresión, presión de preconsolidación, coeficiente de consolidación vertical, etc.

Parámetros de rigidez y resistencia: módulo de elasticidad, relación de Poisson, ángulo de fricción, cohesión real, resistencia en condición no drenada.

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...