Apuntes de Escuela Cimentaciones Superficiales

Tema IV: Cimentaciones Superficiales 1

Asignatura: GEOTECNIA Y CIMIENTOS I

Bloque II: GEOTECNOLOGÍA

TEMATEMA 4: 4:

CIMENTACIONES SUPERFICIALESCIMENTACIONES SUPERFICIALES

E.T.S.I. CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

DPTO. INGENIERÍA DEL TERRENO

BIBLIOGRAFÍA:Cuestiones de Geotecnia y Cimientos.

Francisco A. Izquierdo Silvestre. Ed. UPV.

Curso aplicado de cimentaciones.José Mª Rodríguez Ortiz et alt. COAM. ( 1995)

Geotecnia y Cimientos II.Prof. Jiménez Salas et alt. Editorial Rueda.

Ingeniería geológica.Luís I. González de Vallejo. Ed. Pearson. Prentice Hall.( 2004)

Curso práctico de mecánica de suelos.J. Costet y G. Sanglerat. Ed. Omega ( 1975).

Cimentaciones.W. E. Schultze. Ed. Blume ( 1970)

Foundation Engeineering Handbook.Hans F. Winterkorn–Hsai Yang Fang. Ed. Van Nostrand Reinhold Company

TEMA 4: CIMENTACIONES SUPERFICIALES

4.1. CONCEPTOS PREVIOS

4.2. HUNDIMIENTO DE UNA CIMENTACIÓN SUPERFICIAL. MECANISMOS DE ROTURA.

4.3. CÁLCULO DE CARGA DE HUNDIMIENTO.

4.4. ASIENTOS. TIPOS Y CÁLCULO. ASIENTO ADMISIBLE.


4.1. CONCEPTOS PREVIOS.

Cimentación es la parte de la estructura encargada de transmitir las cargas de ésta al terreno de forma compatible con ambos.

Clases de cimentación:

· Superficiales: D≤ 5BTipos: zapatas ( aisladas, corridaso combinadas) y losas de

cimentación

· Semiprofundas: 5B ≤ D ≤ 8BTipos: pozos de cimentación y

pozos indios.

· Profundas: D ≥ 8BTipos: pilotes, Muros pantalla,Pantallas de tablestacas, etc.. Siendo:

D: profundidad del plano de cimentación.B: lado menor de la cimentación.







Pilote flotante Pilote columna

Clasificación de las cimentaciones profundas:







Condiciones que ha de cumplir de una cimentación ( diseño ):

A. ha de transmitir al terreno las cargas sin romperlo, sin superar la resistencia de corte de éste ( seguridad frente al hundimiento y al deslizamiento).

B. la deformación que produce en el terreno ha de ser compatible con la que la estructura puede aguantar ( limitación de asientos).

C. ha de poseer suficiente resistencia como elemento estructural.

D. la cimentación ha de estar ubicada en una capa:

a) No sujeta a variaciones estacionales de las características del suelo o de sus propiedades: oscilación del nivel freático, heladas, hinchamiento del suelo, agresión suelos con sulfatos, etc..

b) Que no se vea afectada por la erosión o la socavación por efecto del agua, del flujo de agua o de aire.

c) Que no sea afectada por los usos del suelo: excavaciones, medianerías, sobrecargas no consideradas, etc...







Cimentaciones Superficiales:

Definición: S/ Rodríguez Ortiz:“...elemento que transmite las cargas al terreno a través de superficies de apoyo considerablemente más grandes que su canto o dimensión vertical. ( .....). El nivel de apoyo suele ser reducido ( ≤ 3 m) en el caso de zapatas pero puede ser importante en el caso delosas ( por ejem. cimentación de edificio con varias plantas de sótano). Por ello, el concepto superficial se refiere más a su extensión en planta que a la cota de apoyo.”







Se llama presión admisible ( o de trabajo) a la máxima carga ( presión transmitida neta) que puede transmitirse desde la estructura sin que provoque el hundimiento de la cimentación ( contando con un coeficiente de seguridad) o asientos incompatibles con el uso de la estructura.

qq admadm = min = min {{ q q admadm htohto , , qqadmadm astoasto }}

La presiLa presióón admisible no es n admisible no es una propiedad intruna propiedad intríínseca del nseca del terreno.terreno.







Proceso de diseño de un cimentación superficial:

1.- Determinación de la carga de hundimiento del terrenocarga de hundimiento del terreno ( para unas dimensiones de cimentación aproximadas): qh

2.- Determinación de la carga de hundimiento netacarga de hundimiento neta:

qhn = qh - qo

con qo= tensión total vertical del terreno en el plano de cimentación.

3.- Obtención de la presipresióón de trabajo o admisiblen de trabajo o admisible, qadm. introduciendo coeficientes de seguridad ( normalmente F ≥ 3 ).

4.- Comparación con la carga transmitida neta carga transmitida neta ( qtn < qadm ).

siendo: qtn = qt - qo con qt= carga transmitida por la estructura

5.- Reajuste de las dimensiones de la cimentación, si procede.

6.- Cálculo de los asientos esperablesasientos esperables, scal.

7.- Modificación de las dimensiones si los asientosasientos no son

admisiblesadmisibles ( scal < sadm ).







Carga admisible en función de los resultados de ensayos in situ ( SPT, penetrómetro estático,..)

En suelos granulares: las cargas de hundimiento suele ser muy elevadas pero los asientos pueden ser no admisibles.

Presión admisible: se calcula en función de la carga que produce un asiento igual al admisible. Los parámetros se suelen fijar a partir de ensayos realizados in situ ( SPT, penetraciones estáticas, etc..)

Peck, Hanson y Thornburn( 1974) propusieron para el cálculo de la carga admisible de zapatas cuadradas o rectángulares en arenas las siguientes expresiones en función del SPT:

qqaa ( ( kgkg/cm/cm22) ) = 0,105 N´B = 0,105 N´B para B<1 mpara B<1 m

qqaa ( ( kgkg/cm/cm22) ) = 0,105 N´ = 0,105 N´ para Bpara B≥≥1 m1 m

N´= valor medio de los valores N* obtenidos en una profundidad B por debajo del plano de cimentación







Con:

N*: valor corregido de los valores N medidos in situ:

N*=N.CN.Cw

CN: coeficiente que normaliza el golpeo N al nivel de las tensiones in situ:

CN= 0,77 log (20,9/σ´)

σ´= presión efectiva en kg/cm2 existente a la profundidad del ensayo.

Cw: coeficiente corrector por efecto de nivel freático no detectado en el momento de realizar el ensayo.

( )BDDDC w

w ++

+=5,05,0







4.2 .Hundimiento de una cimentación superficial. Mecanismos de rotura.

Según la estructura y el tipo de terreno ( compresibilidad) : tres tipos de rotura posibles:

Rotura generalRotura generalRotura por Rotura por punzonamientopunzonamientoRotura localRotura local

La aplicación de una carga QLa aplicación de una carga Q a través de la cimentación induce deformacionesinduce deformaciones en el terreno movilizando su movilizando su resistencia a corte.resistencia a corte.

El hundimiento de la cimentaciónhundimiento de la cimentación se produce cuando se se supera la máxima resistencia a cortesupera la máxima resistencia a corte, definiendo unas superficies de rotura.







Rotura de tipo generalRotura de tipo general

Superficie de rotura continua, bien definida (Arranca en la base de la zapata y aflora a un lado de la misma, a una cierta distancia).

En teoría: rotura simétrica. En la realidad: pequeños desequilibrios o irregularidades hacen que el fallo se manifieste de modo asimétrico, con giros más o menos importantes .

Puede dar lugar a un fallo repentino y catastrófico.

Tipo de rotura típico de los suelos de baja compresibilidad, arenas muy densas y de las arcillas blandas a medias saturadas en condiciones de carga rápida, sin drenaje.







Rotura por Rotura por punzonamientopunzonamiento

-La cimentación se hunde poco a poco cortando el terreno. Difícil de observar, la rotura no es catastrófica, no se producen levantamientos laterales ni giros.

-Desplazamiento aprox. vertical, afecta poco al terreno adyacente, las superficies de deslizamiento están bien definidas únicamente bajo la cimentación.

- Se da en materiales muy compresibles y poco resistentes(turbas, arenas muy sueltas, arcillas parcialmente saturadas y arcillas n.c. en condiciones de drenaje) o en zapatas sobre capas delgadas apoyadas en estratos blandos.







Rotura de tipo localRotura de tipo local

- Situación intermedia entre rotura general y rotura por punzonamiento.

- Es típica de suelos de compresibilidad media ( algunas arcillas y limos blandos y de arenas medias a flojas).







4.3.- Cálculo de la carga de hundimiento

El hundimiento de una cimentación se produce cuando la presión transmitida supera la resistencia a corte del terreno.

DETERMINACIDETERMINACIÓÓN TEN TEÓÓRICA DE LA PRESIRICA DE LA PRESIÓÓN DE N DE HUNDIMIENTOHUNDIMIENTO ( ( qqhh).).

Teoría de la Plasticidad

Mecanismo de rotura bidimensional.

Equilibrio entre fuerzas exteriores y las desarrolladas por el terreno.

a) SOLUCIÓN DE PRANDTL ( 1920). Hipótesis:

Terreno sin peso.

Zapata corrida

Deformación plana.

qh = qo Nq + c Nc







qh = qo Nq + c Nc

q0 : tensión total vertical a la profundidad del plano de cimentación

Nq y Nc : factores de capacidad de carga ( son función de son función de φ´ )

+=

242 φπφπ tgeNq tg ( ) φgNqNc cot1−=







b) SOLUCIÓN DE TERZAGHI ( 1943).

Hipótesis: Terreno con peso específico γ.

qh = c Nc + qo Nq + 0,5 γ B Nγ

Nγ ≈ 1,5 ( Nq - 1) tg φ

qh = c Nc sc.ic.dc+ q0 Nq sq.iq.dq + ½ γ B´ Nγ s γ.i γ .d γ

c) SOLUCIÓN DE BRINCH HANSEN ( 1970). Hipótesis:Zapata finita ( forma: cuadrada, rectangular, circular)Cargas inclinadas y/o excéntricas.Efecto de la profundidad.

B´= ancho eficaz de la cimentación. B´= B – 2 eB







⌦ Para evaluar situaciones a largo plazo ( con drenaje): carga carga de hundimiento en efectivas:de hundimiento en efectivas:

q´h = c´ Nc sc.ic.dc+ q´0 Nq sq.iq.dq + ½ γ* B´ Nγ s γ.i γ .d γ







Valor de γ*:Valor de γ*:







CORRECCIÓN POR EFECTO DE LA FORMA DE LA CIMENTACIÓN:FACTORES DE FORMA:FACTORES DE FORMA:

1+(B´/L´) tgφ

1

1- 0,4 B´/L´

1- 0,4 B´/L´

φ´ ≠ 0

sc sq sγ

φ = 0 1+ 0,2 (B´/L´)

(Nq . sq – 1) / ( Nq –1)

CORRECCIÓN POR EFECTO DE LA EXCENTRICIDAD E INCLINACIÓN DE LA CARGA:

POR LA EXCENTRICIDAD DE LA CARGA:POR LA EXCENTRICIDAD DE LA CARGA:

Q

B´

L

L´

AREA EFECTIVA O EFICAZ:

A´= B´. L´A´= B´. L´

B´= B- 2eB

L´= L- 2eLeB

eL

B

P

R







CORRECCIÓN POR EFECTO DE LA PROFUNDIDAD DE LA CIMENTACIÓN:

POR LA INCLINACIÓN DE LA CARGA: factores de inclinaciónPOR LA INCLINACIÓN DE LA CARGA: factores de inclinación

NOTA: Q´= Q- U







Terreno estratificado:Terreno estratificado:

Sean T1 y T2 dos capas del terreno de diferentes características geotécnicas, siendo el estrato T1 más resistente que el T2: qh1 > qh2

CASO ACASO A: terreno menos competente arriba

7,0>Bt

7,0<Bt

netahnetah qq 2=

Btqqqq netahnetah

netahnetah ⋅−

−=7,0

211







CASO BCASO B: terreno más competente arriba

2,0<Bt

1>Bt

netahnetah qq 1=

−⋅

−+= 2,0

8,021

2 Btqqqq netahnetah

netahnetah

netahnetah qq 2=

12,0 <≤Bt







Coeficiente de seguridad frente al Coeficiente de seguridad frente al hundimiento:hundimiento:

0

0

qqqq

qqF

t

h

tn

hnhto −

−==

Cimentación compensada: no introduce ningún incremento de tensión en el suelo

qtn = qt-q0=0

La carga transmitida neta en totales coincide con la carga transmitida neta en efectivas: ya que se trata del incremento de tensión que la cimentación supone sobre el terreno.

0 0 0

NOTAS:

´AQqt =

Si fuerza vertical transmitida a cota de cimentación Q excéntrica: considerar área efectiva: A´







4.4 CALCULO DE ASIENTOS EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Al aplicar una carga sobre un terreno se producen una serie de asientos a lo largo del tiempo:

•Asiento inmediato o instantáneo.

•Asiento de consolidación.

•Asiento de consolidación secundaria.







CALCULO DE ASIENTOS EN ARCILLAS:CALCULO DE ASIENTOS EN ARCILLAS:

cscinsttotal ssss ++=

MÉTODOS DE CÁLCULO:

1.1.-- Método elástico:Método elástico: supone un comportamiento elástico del terreno: utilizar las fórmulas vistas en la Tria de la Elasticidad.

Sinst = f( Eu, ν=0,5)

Stotal =f( E´, ν´)

2.2.-- Método Método edométricoedométrico:: supone un proceso idéntico al del edómetro, sólo deformaciones verticales( laterales impedidas): utilizar las fórmulas vistas en la Tria

de la Consolidación Unidimensional ( incrementos de tensión en cada punto del terreno se obtienen con las fórmulas de la Tria de la Elasticidad). Es válido sobre todo para arcillas saturadas.

Ventajas: fácil aplicación, se puede aplicar en terrenos heterogéneos.

Inconvenientes: no distingue el asiento instantáneo.

0

110

0

0

00 ´

´log11 σ

σ∗

+=

+∆

⋅=∆== Ce

HeeHHss edomtotal

C*= Cc ó Cs , según corresponda.Tema IV: Cimentaciones Superficiales 27






3.3.-- Método de Método de SkemptonSkempton--BjerrumBjerrum ( 1957):( 1957):

cinsttotal sss +=

Con: µ =A + α ( 1-A )A= parámetro de presión intersticialα = coef. que depende del espesor H y de la anchura de la cimentación B. (Valores

en tabla siguiente )

( )5,0, == νuinst Efs







CALCULO DE ASIENTOS EN ARENAS:CALCULO DE ASIENTOS EN ARENAS:

Los métodos de cálculo más habituales se basan en fórmulas empíricas que utilizan los resultados de los ensayos de penetración ( estática: qc, o dinámica (SPT): N ).

1.1.-- Método de Método de MeyerhoffMeyerhoff ( 1965 ):( 1965 ): utiliza los resultados de un ensayo de penetración dinámica.







2.2.-- Método de Método de SchmertmannSchmertmann ( 1970 ):( 1970 ): utiliza los resultados de un ensayo de penetración estática.

Para una zapata cuadrada o circular:

Para una zapata corrida:

vq

tnzp

qIσ ′

+= 1.05.0

5.0´5.01 01 ≥

−=

tnqC σ

Con:

Iz = coeficiente de influencia que se deduce de la figura anterior







E es el módulo de elasticidad, que puede estimarse por (Schmertmann):

E = 2,5 qc para zapatas cuadradas o circulares

E = 3,5 qc para zapatas corridas

siendo qc la resistencia a la penetración estática con cono, que puede relacionarse con el N del ensayo estándar mediante:

Tipo de suelo qc/N (kp/cm2) Arcilla blanda, turba 2

Limos 3

Arena fina limosa 3-4

Arena media 4-5

Arena gruesa 5-8

Grava 8-12







ASIENTO ADMISIBLE

Calculados los asientos comprobar que son inferiores a unos valores límites prefijados, sadm. Problema: fijar estos valores límites ( en ellos influye el tipo de estructura, la naturaleza del terreno y el tipo de movimiento). Este asiento límite se establece para una estructura por razones funcionales o estructurales, no geotécnicas.

Este valor determina un valor máximo de carga a transmitir desde la estructura, Qmax.

Terminología utilizada por describir los movimientos (Burland y Wroth (1974) ):

-- Asiento mAsiento mááximo:ximo: es el mayor descenso sufrido por los cimientos de un edificio: Smax

-- Asiento diferencialAsiento diferencial:: es la diferencia de asiento entre dos apoyos contiguos δs.

-- DistorsiDistorsióón angularn angular:: es la relación entre

el asiento diferencial entre dos puntos

y la distancia que los separa: δs/L.

-- DesplomeDesplome:: es la distancia entre la proyec-

ción de la parte superior de la estructu-

ra y la parte inferior de la misma.







Criterio más utilizado actualmente: limitar la distorsión, valores límite:

1/500 Límite de seguridad frente a la fisuración.

1/300 Aparición de fisuras en muros y tabiques.

1/150 Fisuras y daños en elementos estructurales







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