ENSAYOS PARA CALCULAR LA CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO
I. INTRODUCCIÓN
Un adecuado estudio del suelo sobre el cual se pretende levantar una construcción facilita al proyectista los datos necesarios para determinar el tipo y diseño más apropiado y económico de la cimentación, y es además, una garantía previa a una buena edificación.
Lo que hay que entender bien es que no en todos los casos se requieren los mismos estudios, y así, si solo en casos especiales se justifican métodos de muestreo y de ensayos altamente especializados, en la mayoría de los casos no se necesita más que una perspectiva aproximada de los fenómenos que se producirán, perspectiva que puede efectuarse por medio de ensayos simples con los cuales se pueden obtener resultados satisfactorios en la ingeniería de suelos.
II. OBJETIVOS
Objetivos General:
Conocer los procedimientos y ensayos a realizar para determinar la capacidad portante del suelo con el fin de realizar la cimentación para una determinada especificación.
Objetivos específicos
Establecer un procedimiento correcto y apropiado para determinar la capacidad portante del suelo.
Conocer los ensayos obligatorios, desde los más simples hasta los más complejos, para determinar la capacidad portante del suelo.
Determinar el tipo de cimentación adecuado según la capacidad portante del suelo.
III. MARCO TEÓRICO
EL SUELO COMO ELEMENTO PORTANTE DE LAS CIMENTACIONES
Las cargas que transmite la cimentación a las capas del terreno causan tensiones y por tanto, deformaciones en la capa del terreno soporte. Como en todos los materiales, la deformación depende de la tensión y de las propiedades del terreno soporte. Estas deformaciones tienen lugar siempre y su suma produce asientos de las superficies de contacto entre la cimentación y el terreno.
La conducta del terreno bajo tensión está afectada por su densidad y por las proporciones relativas de agua y aire que llenan sus huecos. Estas propiedades varían con el tiempo y dependen en cierto modo de otros muchos factores.
- Variación del volumen de huecos como consecuencia de la compactación del terreno.
- Variación del volumen de huecos como consecuencia del desplazamiento de las partículas.
- Variación del volumen de huecos como consecuencia de la deformación de las partículas del terreno.
Los cimientos constituyen los subsistemas de cualquier edificación que transmiten directamente las cargas de esta hacia el suelo o terreno; su función es distribuir las cargas del edificio, dispersándolas en el suelo adyacente, de modo que éste y los materiales que los sostienen tengan suficiente fuerza y rigidez para soportarlas sin sufrir deformaciones excesivas.
Debido a las interacciones de suelos y cimientos, las características de los suelos sobre los que se construye influyen de modo determinante en la selección del tipo y tamaño de los cimientos usados; estos últimos a su vez, afectan significativamente el diseño de la superestructura, el tiempo de construcción del edificio y, en consecuencia, los costos de la obra.
Por tanto, para lograr una edificación segura y económica es fundamental disponer de cierto conocimiento de la mecánica de suelos y del diseño de cimentaciones.
El estudio de los suelos, sus propiedades, y comportamiento, desde el punto de vista de la ingeniería civil, es el campo de la Mecánica de Suelos.
PROPIEDADES DEL SUELO IMPORTANTES EN INGENIERÍA
Las propiedades edafológicas normalmente muy importantes son las que se exponen a continuación.
- Densidad:
La cantidad de materia sólida presente por unidad de volumen recibe el nombre de densidad en seco del material. En el caso de los suelos granulares y orgánico-fibrosos, la densidad en seco es el factor más importante desde el punto de vista de sus propiedades ingenieriles. Una de esas propiedades es el estado o grado de compactación, que se expresa generalmente en términos de densidad relativa, o razón (como porcentaje) de la diferencia entre la densidad del suelo natural en seco y su densidad en seco mínima, dividida entre la diferencia que hay en las densidades máxima y mínima en seco.
Sin embargo, durante la construcción de rellenos ingenieriles, el grado de compactación suele especificarse como el cociente de densidad real en seco, in situ, dividida entre la densidad máxima en seco, determinada con una prueba de laboratorio diseñada para el cálculo de la relación humedad-densidad (ASTM Dl557 o D698).
- Fricción Interna:
La fricción pura de Coulomb equivale a la simple resistencia a la fuerza cortante en la teoría de la elasticidad. La fricción interna suele expresarse geométricamente como el ángulo de fricción interna ö (phi), donde tan ö = f, el coeficiente de fricción. Entonces la componente friccional de la resistencia a la cortante, Tmax de una masa de suelo, equivale a N tan ö , donde N es la fuerza perpendicular que actúa sobre dicha masa.
Los valores de Ö (phi) van desde unos 281 en el caso de arenas sueltas y limos no plásticos, hasta unos 481 en el de arenas sueltas y gravillas. El valor aumenta junto con la densidad, la angularidad y la granulometría de las partículas; disminuye cuando el suelo contiene mica; es relativamente indiferente a la velocidad de carga y el tamaño de las partículas; y puede aumentar o disminuir bajo cargas repetitivas o cíclicas.
Muchos ingenieros utilizan el valor de Tmax como equivalente de la resistencia total a la fuerza cortante (suposición que también se hace en casi todas las ecuaciones para el cálculo de la presión en suelo o terrenos).
- Cohesión:
Es la máxima resistencia del suelo a la tensión. Resulta de la compleja interacción de muchos factores, como la adherencia coloidal de la superficie de las partículas, la tensión capilar de las películas de agua, la atracción electrostática de las superficies cargadas, las condiciones de drenaje y el historial de esfuerzos. Sólo existe verdaderamente cohesión en el caso de arcillas que tienen contacto de canto con cara entre sus partículas. Los suelo o terrenos no plásticos de grano fino pueden exhibir una cohesión aparente cuando están en condiciones de saturación parcial.
El valor de cohesión que se utiliza al diseñar depende directamente de las condiciones de drenaje bajo la carga impuesta, así como del método de prueba que se emplee para calcularlo, por lo que todo se debe evaluar cuidadosamente.
- Compresibilidad:
Esta propiedad define las características de esfuerzo-deformación del suelo. La aplicación de esfuerzos agregados a una masa de suelo origina cambios de volumen y desplazamientos.
Estos desplazamientos, cuando ocurren a nivel de la cimentación, provocan asentamientos en ella. La limitación de los asentamientos a ciertos valores permisibles suele regir el diseño de las cimentaciones, sobre todo cuando el suelo es granular.
En el caso de los suelos granulares, la compresibilidad se expresa en términos del módulo de Young “E”, el cual suele considerarse equivalente al módulo secante de la curva de esfuerzo-deformación, obtenida por medio de una prueba triaxial estándar. El módulo disminuye al aumentar el esfuerzo axial, pero se incrementa al elevar la presión de confinamiento y al someter la muestra a cargas repetitivas.
La comprensibilidad de las arcillas saturadas se expresa como el índice de compresión Cc, junto con una evaluación de la máxima presión a la que hayan sido sometidos antes.
Ambos valores se calculan por medio de pruebas de laboratorios unidimensionales estándar de consolidación (ASTM D2435). Cc, representa el cambio en la proporción de vacíos por ciclo logarítmico de esfuerzo y es una función del historial de esfuerzos del terreno. Para fines prácticos, es necesario saber el valor dentro de los límites específicos de esfuerzos que se desea manejar.
- Permeabilidad:
Es la capacidad de una masa de suelo o terreno de permitir el flujo de líquidos a través de un gradiente hidráulico. En el diseño de cimentaciones, por lo general lo único que es necesario saber es la permeabilidad en condiciones de saturación. Las permeabilidades de casi todos los tipos de suelo son muy variables y dependen en gran medida de variaciones relativamente pequeñas de la masa edafológica.
Puesto que generalmente depende del tamaño y la continuidad del espacio poroso del suelo y, en consecuencia, del tamaño de las partículas de éste, la permeabilidad es típicamente una propiedad anisotrópica cuyo valor es más alto en la dirección horizontal que en la vertical.
Los valores de permeabilidad de las distintas clasificaciones del suelo o terreno varían por un factor de más de 10 millones, lo que se ha constatado directamente por medio de pruebas de permeabilidad en el campo o en el laboratorio, e indirectamente por pruebas de consolidación y análisis del tamaño de las partículas. Las mejores cuantificaciones se obtienen con pruebas de bombeo en pozos a cielo abierto en el campo.
ENSAYOS QUE SE UTILIZAN PARA HALLAR LA CAPACIDAD PORTANTE DE LOS SUELOS
Básicamente necesitamos saber las características del suelo y eso se comienza con la inspección ocular hasta ensayos con máquinas muy especiales, entre los cuales se puede mencionar a:
Para muestras alteradas e inalteradas:
- Ensayos para caracterizar suelos: Granulometría Límites de consistencia Humedad natural Clasificación de suelos Pesos específicos Porosidad Grado de saturación Relación de vacíos - Ensayos especiales Triaxiales Cortes directos Consolidación Pesos unitarios Densidad in situ Ensayo de la Placa
ENSAYOS ESPECIALES
Prueba Triaxial
Esta norma tiene como objetivo determinar la resistencia al esfuerzo cortante y la relación esfuerzo-deformación de una muestra cilíndrica de suelo cohesivo inalterada o remoldeada.
En la actualidad el uso de pruebas triaxiales en laboratorios de suelos, arroja resultados más precisos en la obtención de los parámetros de resistencia C y ϕ del suelo. Estas pruebas son de mayor confiabilidad al momento de determinar la resistencia del suelo y nos dan opción de conocer en forma más completa las características mecánicas de un suelo. En la actualidad existen dos modalidades de pruebas triaxiales; pruebas de compresión y pruebas de extensión, todo depende de si la muestra es varia en aumento o disminución su dimensión original de altura.
Las pruebas triaxiales se clasifican además por su forma de aplicación sobre el espécimen en tres grupos, que son:
- Prueba lenta; donde el espécimen se le aplica un esfuerzo de compresión en pequeños incrementos, esperando siempre que en cada incremento el valor de Un=0, es decir que debemos esperar a que el suelo consolide y que la presión del agua sea cero.
- Prueba Rápida - Consolidada; se le aplica al suelo un esfuerzo en pequeños incrementos y luego esperamos que Un=0 para después fallar el suelo en forma rápida aplicando el esfuerzo axial por completo.
- Prueba Rápida; en esta prueba tanto la presión hidrostática como la carga axial son aplicadas sin permitir consolidación en la muestra. Los esfuerzos efectivos no se conocen bien, ni tampoco su distribución en ningún momento.
Material y equipo para una prueba Triaxial
- Dispositivo para medir la carga axial: puede ser un anillo de carga o una celda de carga.
- Pistón de carga axial: pistón pasante a través de la parte superior de la cámara
- Dispositivo de carga axial: puede ser un gato de tornillo accionado por un motor eléctrico.
- Cámara de compresión triaxial: consiste de una placa base, superior separadas por un cilindro capaz de resistir la presión aplicada.
- Dial de deformación axial: debe tener una sensibilidad de 0.001pul, y un recorrido mínimo del 20% de la altura de la muestra
- Tapa y base de la muestra: serán usadas para prevenir el drenaje de la muestra, y tendrán el mismo diámetro inicial de la muestra
- Dispositivo de control de presión: será capaz de aplicar la presión a la cámara mediante una válvula conectada en la parte superior de la cámara.
- Otros aparatos.-Cuchillo de moldeo, perfilador de muestras, recipientes para determinar el contenido de humedad, anillos de caucho, equipo compactador, piedras porosas y papel filtro.
- Membrana de caucho - Calibrador
- Balanza
Las muestras pueden ser inalteradas o remoldeadas.
- Muestras inalteradas
Se las puede obtener de bloques inalterados o mediante tubos de pared delgada.
Bloques inalterados: perfil de la muestra hasta obtener el diámetro y altura final.
Tubo muestreador: se recortarán solamente las superficies planas. Mida y registre las dimensiones de la probeta.
Pese y registre la masa de la probeta.
Determine el contenido de humedad ASTMD2216. - Muestras remoldeadas
Mezcle el suelo con agua, y déjelo en reposo por lo menos16 horas. Compacte el suelo en al menos 6 capas en un molde hasta la
Escarifique cada capa.
Terminada la compactación determine las dimensiones de la probeta.
Pese la masa de la probeta.
Determine el contenido de humedad
Humedezca las piedras porosas y el papel filtro. Lubrique el interior y exterior de la membrana. Fije la membrana al dilatador de membrana.
Coloque sobre la base de la muestra las piedras porosas, el papel filtro, la probeta y la tapa superior.
Extienda la membrana sobre la tapa y base de la muestra y séllela con los anillos de caucho.
Ensayo de Corte Directo
Este método describe y regula el método de ensayo para la determinación de la resistencia al corte de una muestra de suelo, sometida previamente a un proceso de consolidación, cuando se le aplica un esfuerzo de cizalladura o corte directo mientras se permite un drenaje completo de ella. El ensayo se lleva a cabo deformando una muestra a velocidad controlada, cerca de un plano de cizalladura determinado por la configuración del aparato de cizalladura. Generalmente se ensayan tres o más especímenes, cada uno bajo una carga normal diferente para determinar su efecto sobre la resistencia al corte y al desplazamiento y las propiedades de resistencia a partir de las envolventes de resistencia de Mohr.
Los esfuerzos de cizalladura y los desplazamientos no se distribuyen uniformemente dentro de la muestra y no se puede definir una altura apropiada para el cálculo de las deformaciones por cizalladura. En consecuencia, a partir de este ensayo no pueden determinarse las relaciones esfuerzo-deformación o cualquier otro valor asociado, como el módulo de cizalladura.
La determinación de las envolventes de resistencia y el desarrollo de criterios para interpretar y evaluar los resultados del ensayo se dejan a criterios del ingeniero o de la oficina que solicita el ensayo.
Los resultados del ensayo pueden ser afectados por la presencia de partículas de suelo o fragmentos de roca, o ambos.
Las condiciones del ensayo, incluyendo los esfuerzos normales y la humedad, son seleccionadas para representar las condiciones de campo que se investigan. La velocidad de deformación debe ser lo suficientemente lenta para asegurar las condiciones de drenaje equivalentes a una presión intersticial nula.
Resumen del método de ensayo
Este ensayo consiste en colocar el espécimen del ensayo en una caja de cizalladura directa, aplicar un esfuerzo normal determinado, humedecer o drenar el espécimen de ensayo, o ambas cosas, consolidar el espécimen bajo el esfuerzo normal, soltar los marcos que contienen la muestra y desplazar un marco horizontalmente respecto al otro a una velocidad constante de deformación y medir la fuerza de cizalladura y los desplazamientos horizontales a medida que la muestra es cizallada.
DISEÑO DE CIMENTACIONES
La elección de los criterios normativos del diseño de cimentaciones -tipo de cimientos, su profundidad y carga permisible o carga de apoyo- suele ser un proceso repetitivo. Para que brinden un apoyo adecuado, todas las cimentaciones deben cumplir dos requisitos simultáneos:
a) Capacidad de carga por apoyo adecuada cimentación. b) Asentamientos estructurales tolerables.
Aunque relacionados, estos dos requisitos no se satisfacen automáticamente al mismo tiempo.
Una cimentación con insuficiente capacidad de apoyo también se asienta excesivamente; pero lo mismo puede sucederle a una cimentación con capacidad adecuada. Por tanto, los dos factores, capacidad de carga, o apoyo, y asentamiento, deben ser revisados para basar el diseño de los cimientos en la condición que resulte crítica.
Pasos del Diseño de Cimentaciones
En la práctica, el procedimiento general que se sigue para el diseño de cimientos consiste:
1. Determinar la capacidad de carga inherente al tipo o tipos de cimentación posibles, dadas las condiciones del subsuelo y los requisitos estructurales del proyecto.
2. Reducir las capacidades últimas de carga calculadas multiplicándolas por un factor de seguridad de 2 a 3. El factor de seguridad más alto se utiliza donde se tiene menor certeza acerca de las condiciones del subsuelo.
3. Calcular los asentamientos que pueden ocurrirle a una cimentación con capacidad de carga permisible reducida y con las cargas estructurales previstas.
4. Si los asentamientos son estructuralmente aceptables, calcular los costos de los tipos de cimentación satisfactorios, sobre una base que permita comparaciones, como el precio por tonelada de carga en columnas o el costo por metro cuadrado en área construida. Dichos costos deben incluir todos los elementos estructurales del sistema de cimentación, como el casquete (remate) de los pilotes y cualquier trabajo de mejora del suelo que se considere necesario; no se deben olvidar siquiera los costos excepcionales, como la eliminación de aguas. También es necesario
ponderar el tiempo que se requiere para la construcción. Si todos los demás factores son iguales, optar siempre por el sistema de menor costo. 5. Si los asentamientos son inaceptables en todos los tipos de cimentación considerados, explorar otras alternativas, como mejora del suelo, reubicación del edificio, disminución de las presiones o cargas de apoyo, diferentes profundidades de apoyo y revisión de la superestructura. Repetir los casos 3 y 4 hasta que se encuentre una cimentación segura y lo más económica posible.
En resumen se debe garantizar la resistencia y economía del sistema cimiento.
