SOLICITANTE: RAMÓN NAZAR ITAÍM LTDA.
ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS
INFORME: EMS 060 - 2010/01
PROYECTO: SANEAMIENTO SANITARIO SECTOR
CERRO EL SANTO, TOMÉ
MANDANTE: ILUSTRE MUNICIPALIDAD DE TOMÉ
COMUNA: TOMÉ
PROVINCIA: CONCEPCIÓN
REGIÓN: BÍO BÍO
INDICE
1.0 INTRODUCCIÓN...Pag 3 2.0 ANTECEDENTES...Pag 4 3.0 METODOLOGÍA DE TRABAJO………...Pag 4 4.0 CARACTERÍSTICAS DEL SUBSUELO...Pag 5 5.0 FUNDACIONES DE LA PLANTA ELEVADORA DE AGUAS SERVIDAS...Pag 6 6.0 ANTECEDENTES PARA EL DISEÑO DE LAS FUNDACIONES...Pag 7 7.0 RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS GENERALES...Pag 12 8.0 ANEXO 1, RESULTADOS DE LA EXPLORACIÓN, SONDAJE..………...Pag 14 9.0 ANEXO 3, RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LAS MUESTRAS………..Pag 16
ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS
PROYECTO: SANEAMIENTO SANITARIO SECTOR CERRO EL SANTO COMUNA DE TOMÉ, VIII REGIÓN DEL BÍO BÍO
1.0 INTRODUCCION
El presente informe geotécnico fue realizado a petición de la oficina de ingeniería Ramón Nazar Itaím Ltda. y tiene por objeto dar recomendaciones para el dimensionamiento de las fundaciones de estructuras y equipos contemplados en el Proyecto: Saneamiento Sanitario Sector Cerro El Santo, que se pretende llevar a cabo en un terreno localizado en dicho cerro de la comuna de Tomé, perteneciente a la provincia de Concepción, en la VIII Región del Bío Bío. En la figura 1.1 se aprecia la ubicación de esta comuna dentro el contexto regional.
Este estudio contiene la información recabada en la campaña de exploración efectuada en el terreno señalado anteriormente, así como los resultados de los ensayos realizados a las muestras de suelo obtenidas en dicha campaña. Con la información anterior y el análisis de ingeniería correspondiente se procedió a la determinación de los parámetros geomecánicos característicos del subsuelo existente en este sector, lo que finalmente permitirá al Ingeniero Calculista el diseño del sistema de fundación considerado en este proyecto.
2.0 ANTECEDENTES
Los trabajos de exploración en terreno se efectuaron mediante un sondaje de percusión con cuchara partida, conocida como Prueba de Penetración Estándar (Standard Penetration Test o SPT); el detalle y alcance de este trabajo se indican en la Tabla 1. Los resultados de esta investigación se muestran en el Anexo 1, “Resultados de la Exploración, Sondajes”.
Las muestras obtenidas en la prospección fueron cuidadosamente almacenadas y posteriormente transportadas al laboratorio para ser sometidas a ensayos normalizados; los resultados de éstos se muestran en el Anexo 3, “Resultados de los Ensayos de las Muestras”. En la tabla 2.1 se detallan las exploraciones geotécnicas efectuadas en terreno.
Tabla 2.1. Exploraciones geotécnicas
Exploración Profundidad m Fecha de ejecución Localización Estructura Sondaje SPT 6.0 30 de Marzo de 2010 Cerro el Santo, Tomé Planta Elevadora de Aguas Servidas 3.0 METODOLOGÍA DE TRABAJO 3.1 Exploración del subsuelo
Considerando las características geológicas del subsuelo existente en el sector donde se emplazará la estructura proyectada y los requerimientos de Ingeniería, se programó la investigación geotécnica mediante un sondaje de percusión con cuchara normal de 6.0 metros de profundidad.
El equipo para la ejecución de las pruebas de percusión con cuchara normal o estándar está conformado por un huinche con motor bencinero marca Kohler, un trípode para el levante de barras de perforación AW y revestimiento de 3 pulgadas, cañerías de 2 pulgadas para el avance mediante inyección de agua y un martinete de 63.5 kg (peso normalizado), el cual se deja caer desde una altura de 76 cm (altura normalizada), golpeando una cabeza metálica adosada a las barras y éstas a un tubo bipartido de 2 pulgadas de diámetro, conocido como cuchara normal o estándar y que permite la obtención de muestras mediante su avance por percusión.
La prueba de percusión con cuchara normal, ensayo conocido como SPT (Standard Penetration Test), se efectuó de acuerdo a las especificaciones indicadas en la Norma ASTM D-1586 y consiste en penetrar un tubo muestreador bipartido, de 2 pulgadas de diámetro, con un martinete de 63.5 kg dejado caer desde una altura de 76 cm, con lo cual se miden los números de golpes necesarios para avanzar 15 cm en el terreno, hasta completar tres avances con un total de 45 cm. El índice de penetración estándar (Nspt) corresponde a la suma de golpes necesarios para perforar los últimos 30 cm (N2 + N3); los golpes necesarios para avanzar los primeros 15 cm (N1) se desprecian ya que se consideran, por norma, como no representativos debido a su alteración producto de los trabajos de perforación.
3.2 Ensayos de laboratorio
Las muestras de suelo ingresadas al laboratorio del Instituto de Investigaciones y Ensayes de Materiales (IDIEM) de la Universidad de Chile, fueron sometidas a los siguientes análisis, según normas NCh y ASTM vigentes:
• Granulometría
• Peso específico
• Límite líquido
• Límite plástico
• Índice de plasticidad
• Clasificación según el sistema unificado (USCS)
• Contenido de agua (humedad) natural
4.0 CARACTERÍSTICAS DEL SUBSUELO
A partir de los resultados de las pruebas efectuadas en terreno y de los ensayes realizados en laboratorio, es posible señalar las siguientes características generales del subsuelo explorado:
4.1 Modelación estratigráfica
A partir de los resultados arrojados por el sondaje y de los ensayos efectuados en el laboratorio de mecánica de suelos, se procedió a modelar el subsuelo de fundación de la siguiente manera:
Horizonte N° 1 (0.0 m – 6.0 m):
Arcilla de alta plasticidad, de color café rojizo, humedad natural media y alta y consistencia media, dura y muy dura. Se observan fragmentos de roca filita en proceso de descomposición. Según USCS, el suelo clasifica como CH.
4.2 Clasificación según norma NCh 433.Of 96
En atención a la norma NCh 433.Of 96, “Diseño Sísmico de Edificios”, se pueden considerar las siguientes clasificaciones:
Zonificación sísmica:
La estructura quedará localizada en la zona 3 (comuna de Tomé, VIII Región). Tipo de suelo:
La estructura será emplazada sobre un suelo tipo III.
De acuerdo a lo anterior, la aceleración efectiva (A0) que depende de la zonificación sísmica
asume el siguiente valor:
A0 = 0.40 g
Asimismo, los parámetros que dependen del tipo de suelo tienen los valores que se muestran en la tabla 4.2.1.
Tabla 4.2.1. Parámetros sísmicos T0 segundos T´ segundos c n p 0.75 0.80 2.75 2.00 1.0
4.3 Trabajabilidad de los suelos
Los materiales encontrados en el subsuelo explorado son trabajables con retroexcavadora y manualmente; por lo tanto, pueden ser clasificados como de Categoría A.
5.0 FUNDACIONES DE LA PLANTA ELEVADORA DE AGUAS SERVIDAS 5.1 Tipo de fundación
Para el Proyecto “Saneamiento Sanitario Sector Cerro el Santo” se contempla la instalación de una Planta Elevadora de Aguas Servidas (PEAS), la cual estará apoyada sobre fundaciones clasificadas como losas de hormigón armado y cuyas dimensiones serán determinadas por el Ingeniero Calculista a partir de la capacidad de soporte admisible entregada en el numeral 6.2.
5.2 Sello de fundación
Por definición de proyecto, el sello de fundación de la PEAS se encuentra localizado aproximadamente a 6.5 metros, medidos desde la superficie del terreno.
5.3 Sello de excavación y tratamiento del suelo de fundación
Considerando las características geomecánicas del subsuelo en el sector donde será emplazada la PEAS, se recomienda efectuar el siguiente tratamiento bajo sus fundaciones:
• Extracción del material existente hasta una profundidad no inferior a 6.8 metros, lo
que corresponde al sello de excavación.
• Compactación del sello de excavación con rodillo liso o placa vibratoria y de acuerdo a
las especificaciones entregadas en el numeral 7.1 del presente informe.
• Colocación de material estabilizado en forma compactada y hasta alcanzar el sello de
fundación de cada estructura y equipo. Este mejoramiento tendrá un espesor total no inferior a 0.3 metros, un sobre ancho de al menos 15 cm. y deberá efectuarse de acuerdo a las especificaciones entregadas en el numeral 7.2.
• Colocación de un emplantillado de hormigón pobre de espesor total no inferior a 7 cm.
6.0 ANTECEDENTES PARA EL DISEÑO DE LAS FUNDACIONES
6.1 Expresiones para la determinación de la capacidad de soporte
Para fundaciones clasificadas como zapatas corridas, la capacidad de soporte del suelo de fundación puede determinarse a partir de la expresión propuesta por Terzaghi:
Qƒ = γ Df Nq + 0.5 γ’ B Nγ + c Nc
Donde se tiene para esta expresión:
Qƒ : capacidad de soporte del suelo
γ : densidad total del suelo sobre el nivel de sello de fundación
γ′ : densidad total del suelo bajo el nivel de sello de fundación
c : cohesión del suelo
B : ancho de la fundación
Dƒ : profundidad de empotramiento
Nγ , Nq y Nc: coeficientes que dependen del ángulo de fricción
Para fundaciones clasificadas como zapatas aisladas de forma rectangular, la capacidad de soporte del suelo de fundación puede determinarse a partir de la expresión propuesta por Hansen:
Qƒ = γ Df Nq (1 + 0.2B/L) + 0.5 γ’ B Nγ (1 – 0.3B/L) + c Nc
Donde se tiene para esta expresión:
Qƒ : capacidad de soporte del suelo
γ : densidad total del suelo sobre el nivel de sello de fundación
c : cohesión del suelo
B : ancho de la fundación
L : largo de la fundación
Dƒ : profundidad de empotramiento
Nγ , Nq y Nc: coeficientes que dependen del ángulo de fricción
Las expresiones anteriores corresponden a la capacidad última del terreno antes de fallar debido a esfuerzos de corte generados dentro de la masa de suelo. Para el diseño de las fundaciones se emplea la capacidad de soporte admisible, la que se obtiene dividiendo estas expresiones por un factor de seguridad no inferior a 3. En el caso de solicitaciones dinámicas (sismo), el valor obtenido para cargas estáticas puede ser aumentado hasta en un 30%. De esta manera, se tiene:
Qadm = (1/3) {γ Df Nq + 0.5 γ’ B Nγ + c Nc}
Qadm = (1/3) {γ Df Nq (1 + 0.2B/L) + 0.5 γ’ B Nγ (1 – 0.3B/L) + c Nc}
Para una losa de fundación, la capacidad de soporte admisible puede determinarse a partir de la expresión que se muestra a continuación:
Qadm = 2.15 N Cw + γ Df (t/m 2
) Donde:
Qadm: capacidad de soporte admisible del suelo, en t/m2
N : Índice de Penetración Normal del sondaje con cuchara partida (SPT)
Cw : factor de corrección por presencia de la napa
γ : peso unitario del suelo sobre el sello de fundación, en t/m3
Df : cota del sello de fundación, en m
El factor de corrección por presencia de la napa se obtiene a partir de la siguiente expresión:
Cw = 0.5 + 0.5 [Dw / (Df + B)]
Donde:
Dw: profundidad de la napa, en m
Df : cota del sello de fundación, en m
B : ancho de la fundación, en m
6.2 Capacidad de soporte admisible del suelo de fundación
Se recomiendan las siguientes presiones de contacto para las fundaciones de la PEAS: Cargas normales : Qadm = 20 (t/m2)
Cargas normales + eventuales: Qadm din = 26 (t/m
2
El Ingeniero Calculista tiene que diseñar el sistema de fundación considerando la capacidad de soporte señalada anteriormente; es decir, debe asegurarse que las presiones que la fundación transmita al suelo no excedan el valor admisible, pero adicionalmente, tienen que ser tales que los asentamientos totales, diferenciales y giros que produzcan sean tolerables por la estructura apoyada en este cimiento.
Para esfuerzos estáticos toda el área basal de la fundación tendrá que comprimir al suelo soportante; para esfuerzos estáticos más dinámicos (sismo) al menos 80% del área basal deberá comprimir al suelo de apoyo.
6.3 Coeficiente de balasto
Se considerará, para cargas estáticas, el coeficiente de reacción básico para una placa cuadrada de 30 cm de lado que se indica a continuación:
K s = 4.5 kg/cm3
Para aquellas fundaciones que tengan un ancho B (m) el coeficiente de reacción deberá corregirse mediante la expresión que se muestra a continuación:
K = K s [(B + 0.3) / 2B] 2
(t/m3)
Para el diseño de fundaciones considerando esfuerzos dinámicos (sismo), se puede emplear la siguiente relación:
K din = 3 K s [(B + 0.3) / 2B]2 (t/m3)
Para una losa de fundación:
K = 6.0 (kg/cm3)
Para el diseño de fundaciones considerando esfuerzos dinámicos
(sismo), se puede emplear el siguiente coeficiente de reacción: K din = 3 K
6.4 Empujes sobre muros
Para determinar los empujes sobre los muros de la PEAS se emplean los coeficientes generados a partir de suelos arcillo arenosos existentes a trasdós de estos elementos estructurales; de esta manera, se tiene:
Coeficiente de empuje lateral activo:
Ka = 0.49
Coeficiente de empuje lateral pasivo:
Coeficiente de empuje lateral en reposo:
Ko = 0.66
Para determinar la componente sísmica del empuje, Es, se utiliza la expresión basada en
Mononobe y Okabe:
Es = γ H (Ks – Ke) cos δf
Donde:
Es : presión sísmica actuante sobre un muro de altura H
γ : peso unitario del suelo localizado detrás del muro
H : altura del muro en contacto con el suelo
Ks y Ke: coeficientes de empuje
δf : ángulo de fricción movilizado en el plano ficticio.
Para el diseño de los muros se considera que: δf = 0.5 φ
Donde:
φ: ángulo de fricción del suelo localizado detrás del muro De esta manera, se tiene el siguiente empuje sísmico:
Es = 0.17 H (t/m
2
)
Donde:
H: altura del muro en contacto con el suelo
A continuación, se presenta el diagrama de empuje para el diseño de los muros enterrados, en el se incluye el empuje activo (estático) (Ea), producto del esfuerzo generado por la masa de suelo localizada detrás de la estructura, el empuje hidrostático (Eh), debido a la presencia de agua subterránea (napa) y el empuje dinámico, debido a la ocurrencia de un evento sísmico.
Los valores de los empujes están dados en función de la altura del muro (H) y la profundidad
de la napa (h) y las unidades de medida son metro, para las longitudes, y t/m2, para las
presiones.
Para el material arcillo arenoso localizado detrás del muro se considera un peso unitario total (γt) igual a 1.5 t/m
3
.
En la figura 6.4.1 se observa un esquema con las presiones ejercidas contra un muro enterrado.
Figura 6.4.1. Diagrama de empujes sobre un muro
Donde:
H : altura del muro (m)
h : profundidad de la napa (m)
Ea1 = 0.74 h t/m2, empuje activo (estático)
Ea2 = 0.29 (H – h) t/m2, empuje activo (estático)
Eh = 1.00 (H – h) t/m2, empuje hidrostático
7.0 RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS GENERALES Y SU CONTROL DE CALIDAD 7.1 Especificaciones del sello de excavación y su control de calidad
En relación al sello de excavación, se deberá tener en consideración los requerimientos que se señalan a continuación:
a) Deberá compactarse con rodillo liso o placa vibratoria y hasta lograr, como mínimo, un
90% de la Densidad Máxima Compactada Seca (DMCS), obtenida a partir del ensayo próctor modificado del suelo existente a esa cota. Este proceso será verificado por un laboratorio de mecánica de suelos competente, el cual controlará, como mínimo, una densidad.
b) Si en algún sector específico del sello de excavación se detecta la presencia de un
material que sea diferente al encontrado a esa cota en los sondajes (por ejemplo, suelo orgánico, materia vegetal, basura, etc.), es necesario su reemplazo por un material granular colocado en capas compactadas y de acuerdo a los requerimientos planteados en el numeral 7.2.
7.2 Especificaciones del mejoramiento con material estabilizado y su control de calidad El mejoramiento del suelo de fundación con material estabilizado será efectuado de acuerdo a las siguientes especificaciones:
a) En este caso, deberán emplearse áridos de tamaño máximo igual a 2” consistente en
gravas naturales chancadas, de acuerdo al tamaño especificado, y que se obtendrán de fuentes seleccionadas por el Contratista y aprobadas por la Inspección Técnica de la Obra (I.T.O.).
b) El material deberá cumplir con los siguientes requisitos de calidad:
• Límite Líquido : máximo 25%
• Índice de Plasticidad : máximo 5%
• Porcentaje partículas chancadas: mínimo 70% • Requisitos granulométricos :
Tamiz ASTM Porcentaje que pasa %
2” 100 1½” 78-100 1” 64-83 3/4“ 54-76 3/8” 39-57 Nº 4 28-48 Nº 8 18-36 Nº 30 5-19 Nº 40 4-17 Nº 200 3-9
c) El material será compactado en capas confinadas de espesor suelto no mayor a 25 cm, mediante el empleo de rodillo liso o placa vibratoria y con un mínimo de 8 pasadas por punto.
d) Cada capa tendrá que ser densificada hasta alcanzar, a lo menos, una densidad
equivalente al 95% de la Densidad Máxima Compactada Seca (DMCS), dada por el ensayo próctor modificado.
e) El material estabilizado deberá quedar con el espesor solicitado, si ello no ocurriera,
tendrá que escarificarse la zona con problemas, para proceder a compactar nuevamente. No se permitirá agregar material suelto para suplir defectos de espesor o el rebaje superficial sin que se cumpla esta metodología.
f) El proceso de compactación será controlado por un laboratorio de mecánica de suelos
competente, el cual verificará, como mínimo, una densidad por capa. 7.3 Especificaciones del relleno de la excavación y su control de calidad
El relleno de la excavación podrá ejecutarse con los suelos existentes, siempre y cuando estén libres de gravas de tamaño superior a 3”, basura, materia orgánica o cualquier otro tipo de contaminación.
El material tendrá que ser depositado en capas confinadas de espesor suelto no superior a 30 cm. y compactado mediante rodillo liso o placa vibratoria, con un mínimo de 7 pasadas por punto y hasta lograr una densidad no inferior al 90% de la Densidad Máxima Compactada Seca (DMCS), dada por el ensayo próctor modificado. Este proceso será controlado por un laboratorio de mecánica de suelos reconocido oficialmente, el cual determinará, al menos, una densidad por cada capa que conformará el relleno.
Jorge Roa Bravo Ingeniero Civil
ANEXO 1
RESULTADOS DE LA EXPLORACIÓN SONDAJE
PERFIL ESTRATIGRÁFICO E ÍNDICE DE PENETRACIÓN SONDAJE
Antecedentes:
Fecha de exploración: 30 de Marzo de 2010 Estratigrafía:
Índice de penetración normal: Profundidad (m) Penetración Nº de golpes Desde Hasta N1 N2 N3 N 0.00 0.45 2 2 2 4 0.46 0.91 4 5 6 11 0.94 1.39 7 8 7 15 1.41 1.86 7 7 14 21 1.88 2.33 7 24 24 48 2.35 2.80 19 23 26 49 2.87 3.32 29 31 24 55 3.37 3.82 26 33 29 62 3.89 4.34 15 13 15 28 4.40 4.85 18 19 21 40 4.91 5.36 22 37 40 77 5.56 6.01 26 35 37 72
N1: Número de golpes necesarios para penetrar la Cuchara Normal los primeros 15 cm. N2: Número de golpes necesarios para penetrar la Cuchara Normal los segundos 15 cm. N3: Número de golpes necesarios para penetrar la Cuchara Normal los últimos 15 cm.
N: Número de golpes necesarios para penetrar la Cuchara Normal los 30 cm finales, (N2+N3).
Estrato Cotas
límites (m)
Espesor (m)
Descripción del Material
1
0.0 a 6.0
6.0
Arcilla de alta plasticidad, de color café rojizo, humedad natural media y alta y consistencia media, dura y muy dura. Se observan fragmentos de roca filita en proceso de descomposición. Según USCS, el suelo clasifica como CH.
