Practico1 Ale - Geotecnia Aplicada

GEOTECNIA APLICADA – PRÁCTICO 1 JOSÉ ALE

INFORME GEOTÉCNICO PARA LA CIMENTACIÓN DE UN TANQUE DE AGUA

1.0 INTRODUCCIÓN

Se ha llevado a cabo una campaña de investigación geotécnica para el estudio de la cimentación de

un tanque de agua de una capacidad de 40,000 litros.

1.1 Objetivos

La investigación geotécnica se realizó con los siguientes objetivos:

♦ Definir las características geotécnicas de la fundación del tanque;

♦ Realizar una toma de muestras representativas y un posterior programa de ensayos de laboratorio;

♦ Definir parámetros geotécnicos para el diseño de la cimentación; y

♦ Evaluar la condición de la cimentación.

2.0 INVESTIGACION GEOTÉCNICA DE CAMPO

2.1 Generalidades

Para poder realizar el diseño de la cimentación de un tanque elevado, se propuso una investigación

geotécnica de campo que se detalla a continuación:

2.2 Perforaciones

Se realizó una perforación de 35 metros de profundidad, donde se realizó una descripción detallada

del suelo extraído siguiendo los procedimientos de la norma ASTM D2488 (Standard Practice for

Description and Identification of Soils). Se realizó la toma de muestras y ensayos penetrométricos

SPT.

2.3 Ensayos de Campo

Los ensayos de campo ejecutados durante la investigación geotécnica consistieron en ensayos SPT

durante la perforación realizada. Estos ensayos se efectuaron con el propósito de evaluar

indirectamente la resistencia de los materiales de cimentación en profundidad:


2.3.1 Ensayo de Penetración Estándar (SPT)

El ensayo de penetración estándar (SPT) es el método de ensayo in situ más ampliamente usado

para la determinación de las condiciones de compresibilidad y resistencia de suelo. Este ensayo

permite medir la resistencia a la penetración del terreno y al mismo tiempo obtener muestras

disturbadas representativas con propósito de identificación en el laboratorio.

El procedimiento del ensayo de penetración estándar está indicado en la norma ASTM D‐1586. Este

ensayo consiste en hincar en el terreno un muestreador de caña partida (penetrómetro) cuyo

extremo inferior está unido a un anillo cortante y el superior a una válvula y pieza de conexión a la

línea de perforación. El muestreador tiene un diámetro exterior de 2” (51 mm) y un diámetro

interno de 1 3/8” (35 mm). Para la penetración se utiliza la energía de un martillo de 140 lb (63.5 kg)

de peso que cae libremente de una altura de 30” (760 mm).

La longitud de hincado es de 18” (450 mm), siendo los primeros 6” (150 mm) para penetrar el

muestreador hasta el suelo no disturbado. Se cuenta el número de golpes necesario para penetrar el

muestreador los próximos 12” (300 mm) en incrementos de 6” (150 mm), tomándose como valor de

NSPT de resistencia a la penetración el resultado de la suma de los golpes necesarios para hincar los

últimos 12” (300 mm) indicados. La Tabla 1 muestra un resumen de los valores de NSPT obtenidos de

los ensayos realizados en la perforación.


TABLA 1 RESUMEN DE ENSAYOS DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR

PROFUNDIDAD (m)

NSPT

1.00 10

2.00 12

3.00 11

4.00 11

5.00 15

6.00 14

7.00 16

8.00 17

9.00 16

10.00 40

11.00 40

12.00 17

13.00 22

14.00 20

15.00 24

16.00 25

17.00 27

18.00 28

19.00 30

20.00 40

21.00 40

22.00 40

23.00 35

24.00 33

25.00 34

26.00 27

27.00 25

28.00 27

29.00 30

30.00 26

31.00 25

32.00 27

33.00 28

34.00 30

35.00 33


3.0 ENSAYOS DE LABORATORIO

Durante el desarrollo de la exploración geotécnica de campo se obtuvieron muestras representativas

de la perforación. Estos materiales fueron sometidos a ensayos de mecánica de suelos para

determinar los parámetros geotécnicos a emplearse en el desarrollo de la ingeniería del proyecto.

Los ensayos se realizaron siguiendo los procedimientos recomendados según las versiones

actualizadas de los métodos de ensayos de la American Society for Testing and Materials (ASTM). A

continuación se presenta la descripción de los ensayos realizados y algunos comentarios de los

resultados obtenidos.

3.1 Ensayos Índice en Mecánica de Suelos

En las muestras seleccionadas obtenidas en la presente exploración de campo se llevaron a cabo

ensayos estándar de laboratorio con fines de identificación y clasificación según el Sistema Unificado

de Clasificación de Suelos (SUCS) como se muestra en la Tabla 2 en términos de granulometría,

límites de plasticidad y contenido de humedad.


TABLA 2 RESUMEN DE ENSAYOS DE ÍNDICE DE SUELOS

PROFUNDIDAD (m)

SUCS DESCRIPCIÓN DEL SUELO

0.3 Horizonte vegetal.

1 CL Arcilla limosa rojiza.









10 ML Limos con calcáreos.

11 ML Limos arcillosos con calcáreos.



14 ML Limos arcillosos rojizos.





19 ML Limos arenosos.


















3.2 Peso Volumétrico

A manera de conocer la densidad natural de los materiales encontrados durante la realización de la

investigación geotécnica, se realizaron pruebas de peso volumétrico a muestras inalteradas

obtenidas durante la investigación de campo. La Tabla 3, muestra a detalle los resultados de este

ensayo.

TABLA 3 RESUMEN DE ENSAYOS DE ÍNDICE DE SUELOS

PROFUNDIDAD (m)

SUCS

PESO ESPECÍFICO NATURAL (kN/m3)

PESO ESPECÍFICO

SECO (kN/m3)

1.00 CL 15.30 13.70

6.00 CL 17.90 14.10

14.00 ML 18.60 14.80

17.00 ML 18.70 15.50

19.00 ML 20.30 16.80

3.3 Ensayo de Compresión Triaxial

Se realizaron ensayos de compresión triaxial consolidado no drenado (CU), con medición de presión

de poros y en condición saturada. Este ensayo fue desarrollado según los procedimientos indicados

en las normas ASTM D‐4767. Un resumen de los resultados de este ensayo se presenta en la Tabla 4.

TABLA 4 RESUMEN DE ENSAYOS DE COMPRESIÓN TRIAXIAL CU

PROFUNDIDAD (m)

SUCS ESFUERZOS TOTALES ESFUERZOS EFECTIVOS

φ (°) C (kPa) φ (°) C (kPa)

1.00 CL ‐ ‐ 20 5

6.00 CL 25 15 30 2

14.00 ML 28 18 32 1

17.00 ML ‐ ‐ 30 1

19.00 ML 20 25


4.0 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LA FUNDACIÓN

De acuerdo a la investigación geotécnica realizada en el área de estudio, se ha podido caracterizar

geotécnicamente la fundación para fines del presente informe. A continuación se detallan las

condiciones del terreno de fundación.

4.1.1 Caracterización Geotécnica del Terreno Natural

De la investigación geotécnica realizada en la zona de estudio se sabe que la granulometría de este

suelo está conformada aproximadamente por partículas finas en su mayoría, tiene un IP de 10

aproximadamente. La clasificación SUCS de este material es CL y ML, tiene mediana a baja

plasticidad, de consistencia rígida a muy rígida y presentan humedad; el basamento rocoso no ha

sido encontrado en esta zona.

Del ensayo de peso volumétrico del material existente, tenemos que el peso específico natural varía

entre 15.3 y 17.9 kN/m3 en las arcillas y entre 18.6 y 20.3 kN/m3 en los limos; se ha realizado un

ensayo de compresión triaxial en el suelo existente al peso específico natural. Los resultados de este

ensayo nos muestran que las arcillas tienen una cohesión de 15 kPa y un ángulo de fricción de 25°,

en términos de esfuerzos totales, y una cohesión entre 2 y 5 kPa y un ángulo de fricción de entre 20 y

30°, en términos de esfuerzos efectivos. Para los limos, una cohesión entre 20 y 28 kPa y un ángulo

de fricción entre 18 y 25°, en términos de esfuerzos totales, y una cohesión de 1 kPa y un ángulo de

fricción de entre 30 y 32°, en términos de esfuerzos efectivos.

4.1.2 Nivel Freático

En la perforación realizada se registró el nivel freático a 9.80 m.

4.1.3 Nivel de Fundación

El nivel de fundación ha sido determinado mediante la realización de ensayos SPT y comparados con

los valores que se muestran en la Tabla 5, a partir del que se puede determinar una profundidad de

cimentación de 1 metro; las dimensiones de la cimentación y la profundidad final de excavación


serán determinadas por el diseñador, en el Anexo A se pueden ver los análisis geotécnicos de

cimentación realizados.

TABLA 5 RELACIÓN ENTRE LOS VALORES NSPT Y LA CONSISTENCIA EN SUELOS FINOS

5.0 ANÁLISIS GEOTECNICO DE CIMENTACIÓN

En este capítulo, se presentarán los análisis geotécnicos de cimentación realizados, considerando

que el tanque elevado de 40,000 litros de agua trasmitirá a la fundación una carga de 400 kN y que la

estructura en sí transmitirá 100 kN. Se asume que la cimentación está conformada por 4 zapatas

aisladas; se asumirán algunos valores, en el cálculo de las capacidades admisibles del terreno y sus

asentamientos.

5.1.1 Capacidad Admisible del Terreno

Se ha calculado la capacidad admisible de carga utilizando el criterio de Brinch‐Hansen (1961), según

el cual la capacidad de carga última se expresa por la siguiente ecuación:

qGqDqSqNqcGcDcScNCGDSNBultq .............221

++= γγγγγ

Siendo la capacidad admisible de carga FSq

q ultadm = , donde:

FS : Factor de seguridad igual a 3.0 para suelos y 5.0 para roca. Nc, Nq, Nγ : Factores de capacidad de carga.

Nq = eπtgφtan(45+φ/2)2 Nc = (Nq‐1)cotφ Nγ=(Nq‐1)tanφ

Sc, Sq, Sγ : Factores de forma, según De Beer (1970). Sc = 1 + (B/L) x (Nq/Nc) Sq = 1 + (B/L) tanφ


Sγ = 1 ‐ 0.4 (B/L) Dc, Dq, Dγ : Factores de profundidad.

Dc = 1 + 0.4 Df / B Dq = 1 + 2 tanφ (1 ‐ senφ)

2 Df / B Dγ = 1

Gc, Gq, Gγ : Factores de inclinación. Gc = ( 1 ‐ β / 90°) Gq = ( 1 ‐ β / 90°) Gγ = ( 1 ‐ β / φ)

Df : Nivel de fundación. φ : Ángulo de fricción. C : Cohesión (kPa). q : Presión de sobrecarga (kPa) = γ x h γ : Peso unitario del suelo (kN/m3) B : Ancho de la cimentación (m). β : Angulo de inclinación del terreno. h : Altura de sobrecarga (m).

5.1.2 Cálculo de Capacidad de Carga

En el Anexo A se muestra el cálculo de las capacidades admisibles de carga del terreno natural

considerando un nivel de fundación de 1 m de profundidad; la Tabla 6 muestra un resumen de los

resultados obtenidos, considerando conservadoramente un terreno natural de cohesión de 10 kPa,

ángulo de fricción de 15° y un peso unitario de 15.0 KN/m3. Como se considera que los 500 kN que se

transmitirán al terreno estarán distribuidos en 4 zapatas aisladas, la carga por cada zapata será de

125 kN.

TABLA 6 CÁLCULO DE CAPACIDAD DE CARGA EN TERRENO NATURAL

COHESIÓN (KPa)

ÁNGULO DE FRICCIÓN (°)

PESO ESPECÍFICO TERRENO NATURAL (KN/m3)

DIMENSIÓN DE LA

CIMENTACION (m)

PROFUNDIDAD MÍNIMA DE

FUNDACIÓN (m)

CARGA APLICADA

(KN)

CARGA ADMISIBLE

(KPa)

10.0 15 15.00 1.50x1.50 1.00 125 kN 80.67 kPa


5.1.3 Análisis de Asentamientos

El asentamiento total de la cimentación ha sido estimado considerando las propiedades elásticas del

suelo. Este asentamiento “Se,” fue estimado considerando un suelo elástico, isotrópico y de espesor

infinito (Harr, 1966):

αν

me E

qBS'

)1( 2−∆=

Donde q∆ , es la carga aplicada sobre la cimentación por la estructura; B es el ancho de la

cimentación; ν es la relación de Poisson; α es el factor de influencia, E’m es el módulo de Young del

suelo de espesor infinito y Se es el valor del asentamiento en el centro de una cimentación flexible. El

valor de α viene dado por la siguiente expresión:

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−+

+++⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−+

++=

11

11ln

1

1ln1

21

21

121

121

m

mm

mm

mmπ

α

Donde m1 = L/B, siendo L la dimensión mayor de la cimentación y B dimensión la menor de la

cimentación.

5.1.4 Condiciones de Carga

La evaluación del asentamiento ha sido realizada considerando la carga de servicio como se

muestra en la Tabla 7. Se asume que toda la carga de la presión de contacto (σasent) será

soportada por la base de la cimentación. Para cargas de corta duración, tales como

movimientos sísmicos, viento o algún otro tipo de carga, la presión de contacto puede ser

incrementada hasta en 1/3.

En el Anexo A se muestra el cálculo del asentamiento del terreno natural considerando el terreno

natural con un módulo de elasticidad de 25 MPa y un coeficiente de Poisson de 0.40.


TABLA 7 CÁLCULO DE ASENTAMIENTO

MÓDULO DE ELASTICIDAD

(KPa)

MÓDULO DE POISSON

DIMENSIÓN DE LA CIMENTACION (m)

ASENTAMIENTO (mm)

25,000 0.40 1x1 3 mm

6.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

De acuerdo con las investigaciones geotécnicas realizadas y de los ensayos de mecánica de suelos, se

puede concluir lo siguiente:

• Se realizará una remoción del suelo durante la construcción hasta encontrar material de

buenas características.

• Las cargas usadas en el cálculo de capacidades admisibles y asentamientos del terreno

deberán ser corroboradas el diseñador estructural.

• La información presentada en este informe está basada en perforaciones e inspecciones

visuales realizadas en campo y ellas deberían representar lo mejor posible las características

del área de estudio.

• La solicitación de las cargas no son altas, por esta razón se propone una cimentación

superficial.

• Se propone un sistema de zapatas aisladas (4) cuadradas de 1.50 m de lado, con una

capacidad admisible de 80.67 kPa y un asentamiento de 3 mm. Serán cimentadas a una

profundidad de 1 m.

7.0 REFERENCIAS

• Bowles J. E. (1977), "Foundation Analysis and Design", Mc Graw Hill.

• Cámara Peruana de la Construcción (1997), "Reglamento Nacional de Construcciones",

Editorial Científica S.R.L., Lima, Perú.


• Das Braja M. (1984), "Principles of Foundation Engineering", Brooks/Cole Engineering

Division, Monterrey, California.

• Lambe T. W. & Whitman R.V. (1969), "Soil Mechanics", John Wiley & Sons.

• Peck R. B., Hanson W. E. and Thornburn T. H. (1974), "Foundation Engineering", John Wiley &

Sons.

• Terzaghi K. and Peck R. B. (1967), "Soil Mechanics in Engineering Practice", John Wiley &

Sons.

• Vesic A. (1973), "Bearing Capacity Analysis in Shallow Foundations", JSMFD, ASCE, Vol. 99.

• M. Carter and S. P. Bentley, “Correlations of Soil Properties”, Pentech Press, London.

PRÁCTICO 1 - GEOTECNIA APLICADA ANEXO A JOSÉ ALE

1.0 Datos GeneralesAngulo de fricción φ : 15.0 °Cohesion c : 10.0 kPaClasificasión SUCS : CLPeso Unitario (1) γ1 : 15.00 kN/m3Peso Unitario (2) γ2 : 15.00 kN/m3Ancho de Base B : 1.50 mLargo de Base L : 1.50 mRelación B / L : 1.00 L/B : 1.00Profundidad de la Fundación Df : 1.00 mFactor de Seguridad FS : 3.00Carga Transferida P : 125 kNPresión de contacto σ : 55.6 kPa

2.0 Factores de capacidad de cargaNc = 10.98Nq = 3.94Nγ = 2.65

3.0 Factores de Forma (Hansen, 1973)Sc = 1.36Sq = 1.27Sγ = 0.60

4.0 Resultadosq ult = 242.01 kPa <> 2.47 kg/cm2

q adm = 80.67 kPa <> 0.82 kg/cm2

80.67 55.6 OK>

CAPACIDAD DE CARGA DE FUNDACIONES SUPERFICIALESTANQUE ELEVADO 40,000 LITROS

D f

B

γ

γ2

1

PRÁCTICO 1 - GEOTECNIA APLICADA ANEXO A JOSÉ ALE

Capa de Suelo de Espesor Infinitodq = 55.56 kPa

B = 150.00 cm

E = 25000.00 kPa 25 MPa

µ = 0.40

I f = 1.00

ρ = 0.28 cm

3 mm

TANQUE ELEVADO 40,000 LITROSASENTAMIENTO ELÁSTICO

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