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Calculo Capacidad de Carga Cimentaciones Superficiales

CIMENTACIONES SUPERFICIALES

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Capacidad de Carga Cimentaciones Superficiales

Description

Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil

GUÍA PRÁCTICA PARA EL CÁLCULO DE CAPACIDAD DE CARGA EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES,

LOSAS DE CIMENTACIÓN,

PILOTES Y PILAS PERFORADAS

Jéser Esaú de Jesús Nij Patzán Asesorado por el Ing

Omar Enrique Medrano Méndez

Guatemala,

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

GUÍA PRÁCTICA PARA EL CÁLCULO DE CAPACIDAD DE CARGA EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES,

LOSAS DE CIMENTACIÓN,

PILOTES Y PILAS PERFORADAS

TRABAJO DE GRADUACIÓN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA POR JÉSER ESAÚ DE JESÚS NIJ PATZÁN ASESORADO POR EL ING

OMAR ENRIQUE MEDRANO MÉNDEZ AL CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL GUATEMALA,

MAYO DE 2009    

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA

NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA

Murphy Olympo Paiz Recinos

VOCAL I

Glenda Patricia García Soria

VOCAL II

Alba Maritza Guerrero de López

VOCAL III

Miguel Ángel Dávila Calderón

VOCAL IV

José Milton De León Bran

VOCAL V

Isaac Sultán Mejía

SECRETARIA

Marcia Ivonne Veliz Vargas

TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

Murphy Olympo Paiz Recinos

EXAMINADOR

Dilma Yanet Mejicanos Jol

EXAMINADOR

Lionel Barillas Romillo

EXAMINADOR

Carlos Salvador Gordillo García

SECRETARIA

Marcia Ivonne Veliz Vargas  

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala,

presento a su consideración mi trabajo de graduación titulado:

GUÍA PRÁCTICA PARA EL CÁLCULO DE CAPACIDAD DE CARGA EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES,

LOSAS DE CIMENTACIÓN,

PILOTES Y PILAS PERFORADAS,

tema que me fuera asignado por la Dirección de la Escuela de Ingeniería Civil,

AGRADECIMIENTOS A:

Omar Enrique

Por su asesoría en la elaboración de este

Medrano Méndez

ayuda y tiempo brindado para el desarrollo del mismo

Personal del área de

Por su ayuda y experiencia aportada

Mis padres

Por el ejemplo de responsabilidad,

lucha y haber puesto su confianza en mí

Mis hermanos

Por el apoyo moral y económico

Universidad de San

Por darme la oportunidad de ser un profesional

Carlos de Guatemala

ACTO QUE DEDICO A:

Felipe de Jesús Nij

Mis padres

Francisca Patzán Marroquín

Mis hermanos

Marta Lidia Licda

Sandra Francisca Silvia Lucrecia Arq

Misaél Enrique Elías Felipe

Mis amigos y compañeros

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

LISTA DE SÍMBOLOS

GLOSARIO

RESUMEN

OBJETIVOS

INTRODUCCIÓN

TEORÍA DE CORTE 1

CAPACIDAD DE CARGA 2

CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES 3

1 Caso I

2 Caso II

3 Caso III

1 Caso I

110 112

2 Caso II

3 Caso III

4 Caso IV

131 136

1 Caso I

2 Caso II

3 Caso III

1 Caso 1

2 Caso 2

3 Caso 3

154 158

CAPACIDAD DE CARGA DE LOSAS DE CIMENTACIÓN 4

CAPACIDAD DE CARGA DE PILOTES 5

1 Pilotes

272 274

CAPACIDAD DE CARGA PARA PILAS PERFORADAS 6

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BIBLIOGRAFÍA

APÉNDICES

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS

Disgregamiento de partículas

Corte en líneas de fractura

Fluencia plástica

Modelo de fricción del suelo

Ángulo de fricción interna

Esfuerzo normal y de corte

Comportamiento de las arenas ante fuerza cortante

Comportamiento de las arcillas ante fuerza cortante

Esfuerzos principales en una superficie de falla

Esfuerzos ortogonales y principales

Análisis geométrico del círculo de Mohr

Representación del esfuerzo desviador

Círculo de Mohr para esfuerzos totales

Falla de Mohr

- Coulomb

Relación entre σ1 y σ3

Círculo de Mohr y envolvente de falla

Análisis de esfuerzos verticales horizontales

Mecanismo de golpeo para SPT

Tipos de martillos para SPT

Modelo de Khristianovich,

Modelo de Khristianovich,

Modelo de Khristianovich aplicado a cimentación

Falla por corte general

Falla por punzonamiento

Falla por corte local

Modos de falla de cimentaciones en arena

Carga inclinada en cimiento corrido

Esfuerzo efectivo,

al nivel de la base de la cimentación

Cimentación superficial inclinada

Ejemplo 4

Caso I,

capacidad de carga afectada por nivel freático

Caso II,

capacidad de carga afectada por nivel freático

Factor de corrección R,

en función de la posición del nivel freático

Cimentación con excentricidad en un solo sentido

Ejemplo 5

Cimentación con excentricidad en dos sentidos

Caso I,

cimentación con excentricidad en dos sentidos

Caso II,

cimentación con excentricidad en dos sentidos

Caso II,

factores para determinar dimensiones efectivas

Caso III,

cimentación con excentricidad en dos sentidos

Caso III,

factores para determinar dimensiones efectivas

Caso IV,

cimentación con excentricidad en dos sentidos

Caso IV,

factores para determinar dimensiones efectivas

Área efectiva para cimentación circular

Falla en un suelo estratificado,

Factores Ks y ca

Falla en un suelo estratificado,

Superficie de falla en suelo estratificado,

Cimentación superficial en suelo estratificado,

método alternativo

Factores de capacidad de carga estáticos

Factores de capacidad de carga modificados por sismo

Cimentación cercana a talud

Términos utilizados por la AASHTO para cimentaciones sobre

Factores Ncq para cimentaciones sobre taludes

Factores Nγq para cimentaciones sobre taludes

Factores Nγq recomendados por la AASHTO

Factores Ncq recomendados por la AASHTO

Método alternativo para capacidad de carga en taludes

Zapatas fundidas de forma alternada

Tipos de losas de cimentación

Comparación entre cimientos convencionales y losa de

Clasificación de los pilotes

Capacidad de carga de punta y por fricción

Mecanismo de transferencia de carga de pilotes

Curvas para el método de Meyerhof de carga de punta

Variación de (Lb/B)cr con el ángulo de friccion del suelo

Factores de capacidad de carga para método de Meyerhof

Factores de capacidad de carga para método de Janbu

Factor de capacidad de carga N’q para metodo de Coyle y Castello 214

Ejemplo 12

Área de punta para perfil H y tubular

Ejemplo 14

Resistencia por fricción ƒs

Coeficiente de empuje de tierra determinado experimentalmente

Coeficientes α recomendados por el API

Coeficiente α recomendado para arcillas condición φ = 0

Coeficiente λ

Distribución de presiones para método λ

Determinación de las áreas por medio del esfuerzo efectivo

Ejemplo 15

Ejemplo 16

Ejemplo 17

Análisis de fuerzas en pilotes cónicos y de paso cónico

Ejemplo 18

Zona de esfuerzos en un grupo de pilotes

Grupo de pilotes

Método de Feld para eficiencia de grupos de pilotes

Grupo de pilotes en arcilla

Factor N’c para grupos de pilotes en arcilla

Ejemplos 19 y 20

Pila perforada acampanada y recta

Primeros métodos para construcción de pilas perforadas

Mecanismo de transferencia de carga de una pila perforada

Capacidad de carga de pilas perforadas

Factores de capacidad de carga N’q y N’c para pilas perforadas

Longitud L1 efectiva para pilas en arena y arcilla

Ejemplos 21 y 22

Ejemplos 23 y 24

Ensayo triaxial

Muestras ensayadas en la prueba triaxial

Equipo para corte directo

Superficies de falla para las diferentes ecuaciones de capacidad 358 de carga

Esfuerzos en el suelo debido a una cimentación superficial

Mapa de macrozonificación sísmica de Guatemala

Generalidades para la capacidad de carga de pilotes

Diferentes disposiciones de grupos de pilotes

Tipos de pilas perforadas

Método seco para construcción de pilas perforadas

Método de ademe para la construcción de pilas perforadas

Método de lodos de perforación para pilas perforadas

Normas consultadas

Valores empíricos de Dr,

y peso específico para suelos

aproximadamente a 6 m de profundidad III

Datos de laboratorio a utilizar en ejemplos de cimentaciones

Comparación de resultados,

Factores F para SPT

Datos del ensayo dinámico 2

Coeficientes de aceleración sísmica para Guatemala

Datos de laboratorio a utilizar en ejemplos de losas de

Datos de laboratorio a utilizar en ejemplos de pilotes

Índices de rigidez para diferentes tipos de suelo

Datos del ensayo dinámico 3

Comparación de resultados,

Comparación de resultados,

Coeficiente K de empuje de suelo

Factor α

Valores de ángulo de fricción δ entre el material de la

Coeficiente K de empuje lateral según Mansur y Hunter

Datos del ensayo dinámico 1,

Valores de espaciamiento mínimos propuestos por códigos de 282 construcción

Método de Feld para eficiencia de grupos de pilotes

Datos de laboratorio a utilizar en ejemplos de pilas

Factor K de empuje de suelo para pilas en arena

Factor qp para pilas en arena

Factor αp para pilas en arena

Factor α para pilas en arcilla

Factores de capacidad de carga para cimentaciones sobre o 369 adyacentes a un talud,

Factores de capacidad de carga para cimentaciones sobre o 370 adyacentes a un talud,

Factores de capacidad de carga para cimentaciones sobre o 371 adyacentes a un talud,

Dimensiones para secciones de perfiles H

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo

Significado

Área de la cimentación

Área efectiva de la cimentación

Área de punta del pilote

Área de “punta” del grupo de pilotes

Área del fuste sobre la que se desarrolla la fricción superficial

Área del “fuste” del grupo de pilotes

Coeficiente para el método del mismo nombre en el caso de pilotes de fricción

Factor de reducción de carga en pilas perforadas

Factor de reducción de la base B,

para limitar el asentamiento en pilas perforadas

Factores de base para el caso de cimentaciones inclinadas

Base o dimensión más corta de una cimentación

Base efectiva de la cimentación

Base del cabezal del grupo de pilotes

Ángulo de inclinación de talud,

ángulo de la pendiente del terreno fuera de la base,

en el caso de cimentaciones inclinadas

Cohesión del suelo,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Adhesión

Cohesión promedio en el caso de suelos estratificados

Cohesión no drenada del suelo

Factor de corrección para el número de penetración estándar

Ensayo de penetración de cono

Compacidad relativa del suelo o densidad relativa

Factores de profundidad

Profundidad del nivel freático debajo de la base de la cimentación

Diámetro del pilote

Diámetro de la base de pilas perforadas

Profundidad de desplante de la cimentación

Densidad relativa del suelo o compacidad relativa

Diámetro del fuste de una pila perforada

Ángulo de fricción entre el cimiento y el suelo

Longitud incremental del pilote sobre la cual p y ƒ se consideran constantes,

elemento diferencial sobre el que actúa la resistencia por fricción en pilas y pilotes

Excentricidad de la carga respecto al centroide de área de la cimentación

Excentricidad de la carga en el sentido corto de la cimentación

Excentricidad de la carga en el sentido largo de la cimentación

Excentricidad de la carga respecto al sentido corto de la cimentación

Excentricidad de la carga respecto al sentido largo de la cimentación

Módulo de elasticidad o de Young del suelo

Energía de ingreso real del muestreador al suelo para SPT

Eficiencia de un grupo de pilotes

Energía de ingreso del muestreador al suelo para SPT

Proporción de energía estándar para SPT

Valor de energía base para SPT

Deformación unitaria

Factor de corrección para el número de penetración estándar

Factores de profundidad

Factores de inclinación de la carga

Factores de forma

Factor de reducción de carga para grupos de pilotes por medio del método de Feld

Factor de seguridad

Resistencia unitaria por fricción promedio

Resistencia unitaria por fricción del pilote o pila perforada a cualquier profundidad z

Ángulo de fricción interna del suelo

Ángulo de fricción promedio,

para el caso de suelos estratificados

Ángulo de fricción interna,

obtenido en el ensayo de corte directo

Ángulo de fricción interna,

Ángulo de fricción interna,

obtenido en el ensayo triaxial

Factores de terreno,

para el caso de cimentaciones inclinadas

Módulo de corte del suelo

Peso específico natural o húmedo del suelo,

en unidades de fuerza sobre unidades de volumen

Peso específico promedio

Peso específico seco del suelo

Peso específico saturado del suelo

Peso específico del agua

Fuerza horizontal,

en el caso de cimentaciones inclinadas

Ángulo de inclinación del talud

Factores de inclinación de la carga

Índice de plasticidad del suelo

Índice de rigidez del suelo

Índice de rigidez crítico

Índice de rigidez reducido del suelo

Ángulo de la superficie de falla en la punta del pilote,

Coeficiente de aceleración horizontal por sismo

Kilo libra

Kilo libras sobre pie cuadrado

Coeficiente de aceleración vertical por sismo

Coeficiente de empuje de reposo

Kilo Newton

Kilo Pascal

Coeficiente de empuje pasivo

Valor de empuje pasivo,

Coeficiente de corte por punzonamiento

Longitud o dimensión mayor de una cimentación

Longitud efectiva de la cimentación

Longitud embebida o empotrada del pilote

Longitud crítica del pilote

Longitud crítica del pilote

Longitud del cabezal del grupo de pilotes

Coeficiente para el método del mismo nombre,

en el caso de pilotes de fricción

Número de pilotes en el sentido largo,

Milímetro

Momento de giro sobre la cimentación

Componente del momento de giro respecto al eje corto de la cimentación

Componente del momento de giro respecto al eje largo de la cimentación

Módulo de Poisson del suelo

Número de pilotes en el sentido corto,

Número de penetración estándar no corregido por esfuerzo efectivo o valor de campo

Número de penetración estándar no corregido o de campo

Número de penetración estándar corregido

Número de penetración estándar no corregido promedio

Número de penetración estándar corregido promedio

Número de penetración estándar corregido,

Número de penetración estándar corregido promedio

Número de penetración estándar no corregido,

Número de penetración estándar corregido,

Número de penetración estándar no corregido,

Número de penetración estándar corregido,

Factor de capacidad de carga por cohesión

N’q y N’γ

Factores de capacidad de carga modificados

Factor de capacidad de carga por peso específico

Factores de capacidad de carga modificados por sismo

Factores

cimentaciones sobre taludes Nq

Factor de capacidad de carga por sobrecarga efectiva

Número de estabilidad de talud

Ángulo de inclinación del talud,

en el caso de cimentaciones inclinadas

Tasa de preconsolidación

Ángulo de conicidad del eje del pilote

Perímetro de la sección del pilote

Perímetro de un grupo de pilotes

Presión intergranular del suelo

Presión atmosférica

Presión de sobrecarga de referencia,

para factor de corrección en SPT

Presión de sobrecarga o esfuerzo total

Presión de sobrecarga efectiva o esfuerzo efectivo

Carga actuante o carga real sobre una cimentación,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Capacidad de carga admisible,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Resistencia de punta para el penetrómetro en el ensayo CPT

Resistencia de punta límite unitaria,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Presión máxima en cimentaciones con carga excéntrica

Presión mínima en cimentaciones con carga excéntrica

Carga neta admisible,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Capacidad de carga neta última,

unidades de fuerza sobre área

Carga de punta unitaria,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Resistencia por fricción,

para el penetrómetro en el ensayo CPT,

resistencia superficial unitaria,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Resistencia total,

para el penetrómetro en el ensayo CPT

Capacidad de carga última,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Capacidad de carga última modificada,

para cimentaciones con carga excéntrica,

en unidades de fuerza sobre unidades de área

Carga puntual sobre la cimentación

Carga puntual admisible,

Carga de diseño en unidades de fuerza

Capacidad de carga última de un grupo de pilotes,

Carga en la punta del pilote,

Qp(neta)

Carga de punta neta,

Carga de punta última,

Carga debido a la fricción superficial en los lados del pilote,

Resistencia última superficial del pilote,

Carga última,

Factor de corrección por nivel freático cercano,

Relación entre la longitud del pilote y su diámetro

Relación entre la longitud crítica o empotrada del pilote y su diámetro

Espaciamiento entre pilotes medido a partir de los ejes

Factores de forma

Resistencia al corte no drenada o cohesión no drenada

Resistencia al corte sin drenar promedio cerca de 0

sobre la base a cerca de 3B bajo la base en pilas perforadas

Asentamiento base de 25 mm

Asentamiento requerido o real

Esfuerzo normal

Esfuerzo vertical efectivo

σ v′

Presión de sobrecarga efectiva promedio

Esfuerzo de corte o tangencia

Ángulo para determinación de la eficiencia de grupos de pilotes en la ecuación de Converse – Labarre

Presión de poro del suelo

Fuerza vertical soportada por la cimentación,

en el caso de cimentaciones inclinadas

Coeficiente para determinar resistencia por fricción a través de la densidad relativa del suelo,

en pilotes de gran volumen de desplazamiento

GLOSARIO

Cubierta o forro de madera,

metal u otro material con el que se aseguran y resguardan pilas,

pilotes y otras obras subterráneas

Arcilla

Roca sedimentaria,

formada a partir de depósitos de grano muy fino,

compuesta esencialmente por silicatos de aluminio hidratados con partículas menores a 0

Conjunto de partículas desagregadas de las rocas y acumuladas en las orillas del mar,

o en capas de los terrenos de acarreo de granulometría comprendida de 0

Asentamiento

Efecto de descenso del terreno bajo la cimentación de una edificación ocasionado por las cargas que se transmiten al mismo

Tubo graduado de diámetro grande y uniforme,

uno de cuyos extremos se puede cerrar con una goma o llave

Cabrestante

Torno de eje vertical que se emplea para mover grandes pesos gracias a la soga o cadena que se enrolla en él

Cementación

Proceso de endurecimiento que ocurre en ciertas arenas

Clavija

Pieza de metal que sirve de vínculo o conexión entre dos o más elementos estructurales

Cohesión

Fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo

Compacidad

Densidad relativa

Consolidación

Proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos),

provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo

Es la reducción gradual de volumen del suelo por compresión,

También puede darse por pérdida de aire o agua

Densidad

Propiedad índice de estado de los suelos que se emplea

normalmente en gravas y arenas,

en suelos que contienen reducida cantidad de partículas menores que 0

La densidad relativa indica el grado de compactación del material y se emplea tanto en suelos naturales como en rellenos compactados

Disgregamiento

Desunión o separación de las partes de un todo que era compacto,

en este caso las partículas de suelo

Empuje activo

Empuje provocado debido a la deformación lateral del suelo,

disminuyendo la tensión horizontal hasta un valor mínimo donde se alcance un estado tensional de falla

Empuje pasivo

Empuje provocado debido a la deformación lateral del suelo,

aumentando la tensión horizontal hasta un valor máximo donde se alcance un estado tensional de falla

Empuje de

Empuje provocado debido a un confinamiento lateral total

de manera que un punto en el suelo se deforme libremente en

Encofrado

Moldura formada con tableros o chapas de metal en el que se vacía hormigón para hasta que fragua y se desmonta después

Escariador

Herramienta de corte que se utiliza para conseguir agujeros de precisión cuando no es posible conseguirlos con

escariadores cónicos y para dimensiones especiales

Esfuerzo

Esfuerzo transmitido a través de la estructura sólida del

suelo por medio de los contactos intergranulares

Se ha definido en forma cuantitativa como la diferencia entre el esfuerzo total y la presión de poro

Esfuerzo normal

Esfuerzo

perpendiculares (normales) a la sección transversal de un prisma mecánico

Esfuerzo

Esfuerzo perpendicular o en ángulo recto

Esfuerzo

Esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a

la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo,

Excentricidad

Distancia medida a partir del centroide de área de la cimentación al lugar de aplicación de la carga puntual

Fluencia

Deformación de un material plástico producida por una

fatiga superior al límite elástico del material,

que le produce un cambio permanente de su forma

También llamada deformación plástica

Parte de la columna que media entre el capitel y la base,

en el caso de pilotes y pilas entre la base o campana y el extremo superior

Conjunto

Partículas rocosas de tamaño comprendido entre 2 y 64 mm

Índice de

Parámetro físico que se relaciona con la facilidad de

manejo del suelo con el contenido y tipo de arcilla presente

Índice de rigidez

Coeficiente

In situ

En el lugar,

Material suelto con una granulometría comprendida entre la arena fina y la arcilla

Es un sedimento clástico incoherente transportado en suspensión por los ríos y por el viento,

que se deposita en el lecho de los cursos de agua o sobre los terrenos que han sido inundados

Para que se clasifique como tal,

el diámetro de las partículas de limo varía de 0

002 mm a 0

Lodo de

Mezcla de arcillas,

agua y productos químicos utilizada en

las operaciones de perforación para lubricar y enfriar la barrena,

para elevar hasta la superficie el material que va cortando la barrena,

para evitar el colapso de las paredes de la perforación y para mantener bajo control el flujo ascendente del aceite o del gas

Momento de

Resistencia que presenta un cuerpo a la rotación

Nivel freático

Nivel en el cual la presión del agua en los poros del suelo es igual a la de la atmósfera

Tasa de preconsolidación,

relación entre la presión de preconsolidación de un espécimen de suelo y la presión o esfuerzo vertical efectivo presente

De valor igual a uno para arcillas no consolidadas y mayor a uno en arcillas sobreconsolidadas

Pedestal

Base que sostiene la pila perforada

Penetrómetro

Instrumento que sirve para evaluar el estado del terreno

Presión de poro

Presión del agua que llena los espacios vacíos entre las partículas de suelo

El fluido en los poros es capaz de transmitir esfuerzos normales pero no cortantes por lo que es inefectivo para proporcionar resistencia al corte,

por ello se le conoce a veces como presión neutra

Presión de

Presión aplicada por medio del agua en la cámara para

con la finalidad de generar el efecto del suelo que rodea la muestra en estado natural

Prefabricado

Se dice del elemento o pieza que han sido fabricados en serie,

para facilitar el montaje o construcción en el lugar de destino

Punzonamiento

Esfuerzo producido por tracciones en una pieza debidas a los esfuerzos tangenciales originados por una carga localizada en una superficie pequeña de un elemento bidireccional alrededor de su soporte

Lugar generalmente seco y subterráneo para guardar cereales o forrajes

Sílice

Mineral formado por silicio y oxígeno

Sifonamiento

Movimiento ascendente de las aguas subterráneas a través

consecuencia produce una pérdida de la capacidad portante del suelo

Sobrecarga

Carga extra aplicada

Suelo cohesivo

tiene considerable resistencia cuándo se ha secado al aire,

y tiene una cohesión importante cuando está sumergido

Suelo arcilloso que nunca en su historia geológica ha

Es una arcilla generalmente compresible

Suelo no

Suelo que,

resistencia cuándo está secado al aire,

y que tiene poca o ninguna cohesión cuando está sumergido

Suelo arcilloso que recibe hoy en día cargas menores de

las que en su historia geológica ha recibido

Es una arcilla generalmente dura

Tablestacas

Estructuras de contención flexible,

están formadas por elementos prefabricados

Inclinación de un terreno

Residuos vegetales acumulados en sitios pantanosos

RESUMEN

Éste informe reúne algunas de las principales ecuaciones y métodos para determinar la capacidad de carga o capacidad portante del suelo dependiendo del tipo de cimentación con la que se desee trabajar

En el primer capítulo se trata el tema de la teoría de corte en suelos debido a esfuerzos triaxiales,

es decir esfuerzos en tres dimensiones,

que son los esfuerzos a los que se encuentra sometido el suelo en condición natural y luego de situar una construcción sobre el mismo,

su análisis por medio del círculo de Mohr y la envolvente de falla Mohr – Coulomb en la que se determina el valor del ángulo de fricción interna tomado convencionalmente como un valor constante

El segundo capítulo amplía el concepto de capacidad de carga del suelo y lo analiza por medio del modelo de Khristianovich y los tipos de falla que ocurren dependiendo de las condiciones del suelo y la cimentación para posteriormente presentar los ensayos por medio de los cuales la capacidad de carga puede ser obtenida

El tercer capítulo presenta las diferentes ecuaciones de capacidad de carga para cimentaciones superficiales,

comenzando por la ecuación de Terzaghi,

que luego es ampliada dependiendo de las teorías e hipótesis de los diferentes investigadores,

también se presentan los diferentes métodos para analizar las cimentaciones dependiendo de la ubicación o situación en que se encuentre,

las cimentaciones cercanas o colocadas sobre taludes,

cimentaciones en las cuales el nivel freático se encuentra cercano o cuando un momento de giro es aplicado

En el cuarto capítulo se encuentran las ecuaciones para la capacidad de carga de losas de cimentación,

las losas de cimentación se catalogan también dentro de las cimentaciones superficiales pero al ser éstas de mayor dimensión algunos de los valores y términos pueden simplificarse al utilizar las ecuaciones del capítulo tres

El quinto capítulo contiene las ecuaciones utilizadas para la capacidad de carga en pilotes,

los pilotes son miembros estructurales que pueden transmitir la carga soportada por medio de la punta,

por fricción en la superficie o una combinación de ambas,

dependiendo del comportamiento por el que se transmita la carga existen varios métodos para determinar la carga última y carga admisible,

éste capítulo incluye también el cálculo de capacidad de carga para grupos de pilotes así como las ecuaciones y métodos para determinar su eficiencia

El sexto capítulo trata sobre la capacidad de carga de las pilas de cimentación

las pilas perforadas al igual que los pilotes,

transmiten carga por fricción y por la punta pero al tener estas un mayor área la transmisión de la carga es un tanto variable en cuanto a los pilotes

OBJETIVOS

GENERAL:

Proporcionar una guía teórica y práctica basada en datos de laboratorio que recopile información respecto a la determinación de la capacidad de carga del suelo para diferentes tipos de cimentaciones

ESPECÍFICOS:

Explicar la teoría de corte y su relación respecto al comportamiento del suelo y la capacidad de carga del mismo

Dar a conocer los diferentes métodos y ecuaciones para el cálculo de la capacidad

Comparar y determinar cuál de los métodos de capacidad de carga es más efectivo para los diferentes tipos de cimentaciones

Dar a conocer las normas por las que se rigen los ensayos de laboratorio

Proporcionar una guía para el cálculo de la capacidad de carga tanto para estudiantes como para profesionales de la ingeniería civil

INTRODUCCIÓN

La capacidad de carga o capacidad portante del suelo es un tema amplio y del cual se cuenta con una gran cantidad de información,

sin embargo esta información puede variar de un texto a otro ya sea en el proceso de cálculo o en la determinación de los factores utilizados,

algunos autores utilizan gráficas y otros tablas,

en el caso de esta guía se opta en la mayoría de los casos el uso de ecuaciones

la importancia de conocer los diferentes métodos es que el suelo no es un material del cual se dispongan las condiciones físicas y mecánicas según lo desee el constructor,

varía de un lugar a otro por lo que al conocer sus propiedades pueden estimarse su capacidad admisible,

la carga máxima que puede ser soportada y la cimentación adecuada,

lo que proporciona un buen margen de seguridad

Debido a que algunos métodos se basan en resultados experimentales y otros en modelos matemáticos en algunos casos pueden obtenerse resultados muy variables,

por lo que el valor de capacidad a ser elegido depende de la experiencia y criterio del calculista

Al conocer la base teórica de los ensayos y por medio de los resultados se obtiene un indicador del comportamiento del suelo bajo carga lo que también puede ser utilizado para tomar las precauciones necesarias y un adecuado factor de seguridad,

como en el caso de suelos arcillosos o suelos sin cohesión como algunas arenas

No se pretende abarcar todos los métodos sino hacer una introducción al tema de capacidad de carga y analizar que no es un factor obtenido en tablas o supuesto en muchos casos

TEORÍA DE CORTE

Se le llama resistencia al corte de un suelo a la tensión de corte o cizallamiento sobre un plano determinado en el momento de falla

El primero en estudiar la resistencia al corte de los suelos fue el ingeniero francés C

Coulomb (1736 – 1806),

quien en una primera aproximación al problema,

atribuyó éste fenómeno a la fricción producida entre las partículas de suelo

Dicha teoría establece que el material falla cuando el esfuerzo cortante que actúa en un plano alcanza un valor límite máximo

Los suelos en algunos casos bajo ciertos parámetros suelen comportarse como materiales elásticos,

aunque a veces pueden producirse deformaciones mayores a las normales,

debiendo realizarse cálculos que tomen en cuenta el comportamiento plástico

Cuando una muestra de suelo se somete a una fuerza cortante esta causa el desplazamiento de partículas entre si o de una parte del suelo con respecto al resto de la misma

Pueden darse los siguientes comportamientos:

Disgregamiento de las partículas (ver figura 1)

Figura 1

Disgregamiento de partículas

Fuente: Crespo Villalaz,

Mecánica de suelos y cimentaciones

La masa de suelo se desliza a lo largo de ciertas líneas de fractura (ver figura 2)

Figura 2

Corte en líneas de fractura

Fuente: Crespo Villalaz,

Mecánica de suelos y cimentaciones

Si la masa de suelo es plástica se produce la llamada fluencia plástica (ver figura 3)

Figura 3

Fluencia plástica

Fuente: Crespo Villalaz,

Mecánica de suelos y cimentaciones

En todos los casos los movimientos que se dan dentro de la masa de suelo se ven contrarrestados por la resistencia al corte del suelo

Para determinar los parámetros de resistencia al corte se utiliza el modelo de fricción: dada una masa de suelo y un plano potencial de falla RS (ver figura 4)

La fuerza que se transmite por dos cuerpos en contacto estático puede resolverse en dos componentes,

la componente normal N y la componente tangencial T

Cuando se inicia el deslizamiento,

la relación T/N alcanza un valor límite o máximo que recibe el nombre de coeficiente de fricción μ (figura 5):

Tlim = μN

Suponiendo que el valor de T/N es constante para un material,

se puede reescribir la ecuación como:

Tlim = N

Figura 4

Modelo de fricción del suelo

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

Figura 5

Ángulo de fricción interna

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

En otras palabras el esfuerzo de corte que puede resistir la masa de suelo por unidad de área es proporcional al valor de σ (presión ejercida perpendicularmente al plano de falla,

Figura 6

Esfuerzo normal y de corte

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

Dando como resultado:

τ = σ ⋅ tgφ

La constante de proporcionalidad tgφ,

fue definida por Coulomb en términos de un ángulo al que denominó ángulo de fricción interna

Analizando la ecuación se deduce que para σ = 0 es τ = 0

Pero Coulomb observó que existían materiales que sin presiones normales aplicadas sobre el plano de corte presentaban una cierta resistencia

Para estos suelos se tomó en cuenta una nueva constante a la que denominó cohesión τ = c

Generalmente,

los suelos presentan un comportamiento mixto

Coulomb determinó que la resistencia de los suelos debía expresarse como la suma de ambos comportamientos: la resistencia debida a la fricción interna y la resistencia debida a la cohesión

Siendo la suma de ambos

comportamientos lo que conocemos como ley de Coulomb:

τ = c'+ σ ⋅ tgφ

τ = Resistencia al corte [F/A] c'= Cohesión del suelo [F/A] σ = presión intergranular o esfuerzo normal [F/A] φ = Ángulo de fricción interna,

cuyo valor se considera constante

Respecto a la cohesión existen dos casos específicos (ver figuras 7 y 8)

las arenas lavadas y secas que no poseen cohesión,

en las que la carga de ruptura se produce cuando τ = σ ⋅ tgφ ,

siendo éste el primer comportamiento de los suelos descrito anteriormente,

pasando la envolvente de falla de Mohr por el origen y las arcillas blandas que se comportan como si su ángulo de fricción interna fuese cero,

dando como resultado una carga de ruptura de valor constante y de igual valor a la de la cohesión del suelo,

siendo ésta su valor de resistencia al corte

σ1 y σ3 son los esfuerzos principales y qu es la carga última en el ensayo de compresión no confinado

La cohesión se define como la adherencia existente entre las partículas de suelo debido a la atracción que ejercen unas contra otras a causa de las fuerzas moleculares

El ángulo de fricción interna es un valor convencional utilizado para simplificar los cálculos,

se le considera constante aunque no lo es ya que depende de la granulometría del suelo,

del tamaño y forma de las partículas y de la presión normal ejercida en el plano de falla

Figura 7

Comportamiento de las arenas ante fuerza cortante

Fuente: Crespo Villalaz,

Mecánica de suelos y cimentaciones

Figura 8

Comportamiento de las arcillas ante fuerza cortante

Fuente: Crespo Villalaz,

Mecánica de suelos y cimentaciones

El círculo de Mohr es un método sencillo para el análisis de estados de esfuerzos bidimensionales

En la figura 9 puede observarse un caso común: un elemento del terreno o suelo por debajo de un corte está intersectado por una superficie de falla

Figura 9

Esfuerzos principales en una superficie de falla

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

Figura 10

Esfuerzos ortogonales y principales

Esfuerzos ortogonales

Esfuerzos principales

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

En la figura 10 se muestra una versión amplia de este problema

El círculo de Mohr de esfuerzos se puede definir en función de los esfuerzos ortogonales (σx,

σy,τxz,

τzx) en el lugar de los puntos P y Q (ver figura 11)

Cuando se ha trazado el círculo,

los esfuerzos principales mínimo y máximo,

OA = σ3 y OB = σ1,

Y el ángulo de inclinación de los planos principales está dado por ∠CPB = θ

Figura 11

Análisis geométrico del círculo de Mohr

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

Para el caso de los ensayos triaxiales,

en el análisis de resultados,

se construye directamente el círculo de Mohr con los valores de los esfuerzos principales

En estos casos,

el objetivo puede ser obtener los valores para los esfuerzos normal y de corte sobre un plano determinado,

que quizá sea un plano de deslizamiento por cortante (falla por corte)

Se tiene un plano AA’ (figura 10,

esfuerzos principales) que pasa por el elemento a un ángulo α con respecto al esfuerzo mínimo principal

El punto D'(ver figura 11) en el círculo de Mohr representa los esfuerzos en este plano:

Esfuerzo normal = σn’ = abscisa en D'Esfuerzo cortante = τ = ordenada en D

El valor del esfuerzo cortante,

hasta una valor máximo cuando α = 45° y de nuevo a cero cuando α = 90°

Su valor se puede obtener como sigue (ver figura 11):

τ = DE = CD ⋅ sen(180 O − 2α ) = CD ⋅ sen2α

Por lo tanto:

De igual modo el esfuerzo normal será:

σ′n = OE = OA + AE = σ′3 + AD ⋅ cosα

AD = 2 ⋅ AC ⋅ cosα = AB ⋅ cosα = (σ′1 − σ′3 ) ⋅ cosα

Por lo tanto:

σ′n = σ′3 + (σ1′ + σ′3 ) ⋅ cos 2 α =

La ventaja del círculo de Mohr está en la facilidad con la que se determina el

esfuerzo cortante y esfuerzo normal en correspondencia a regimenes

La figura 12 muestra como se representa el esfuerzo desviador (q’) mediante el diámetro del círculo de Mohr:

Figura 12

Representación del esfuerzo desviador

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

El punto T en el círculo representa el esfuerzo cortante máximo (α = 45°) y tiene las coordenadas (s’,

t’) que son independientes del esfuerzo:

Cuando se traza el círculo respectivo a los esfuerzos totales,

éste tendrá igual diámetro,

pero desplazado a la derecha a lo largo del eje del esfuerzo normal una cantidad igual a la presión de poro,

Figura 13

Círculo de Mohr para esfuerzos totales

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

Esfuerzo total:

σ1 = σ′1 + u

σ 3 = σ′3 + u

Restando:

σ1 − σ 3 = σ′1 − σ′3

Es decir:

También:

una falla de deslizamiento por corte o continua por flexibilidad,

círculo de Mohr que contiene los esfuerzos normal y de corte en el plano de deslizamiento es un círculo trazado con valores límites

Estos círculos límite para diferentes valores del esfuerzo principal tocan una tangente común que se llama envolvente de falla (figura 14)

La ecuación de esta envolvente de falla es la ecuación de Coulomb:

τ = c'+ σ n tanφ

φ = ángulo de fricción o ángulo de resistencia al cortante c'= cohesión σn = esfuerzo normal

De la envolvente de Mohr y Coulomb se tiene que el ángulo del plano de falla es:

Si se pueden llevar varias muestras del mismo suelo a un estado de falla de deslizamiento al corte o de continua flexibilidad,

y se miden los esfuerzos principales,

σ1’ y σ3’,

se puede emplear la construcción de Mohr

Figura 14

Falla de Mohr

- Coulomb

Fuente: Whitlow,

Fundamentos de mecánica de suelos

La capacidad de carga de un suelo está en función de su comportamiento ante fuerzas de corte,

tal como se ha visto anteriormente,

la resistencia al corte depende del esfuerzo normal ejercido sobre el suelo y las propiedades del mismo,

una presión ejercida sobre el suelo puede provocar una falla por medio del deslizamiento de las partículas,

el cual es contrarrestado también por la cohesión