suelos Aplicado Ala Cimentacion
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CIMENTACIONES EN
CIMENTACIONES EN
FACULTAD DE
INGENIERIAS Y
ARQUITECTURA
“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación”
CURSO : Mecánica de Suelos Aplicada A cimentaciones y vías de Transporte
TEMA : Cimentaciones En Suelos Granulares Finos (Arenas)
DOCENTE : Ing. Jesus Sedano Carlos Alberto
INTEGRANTES : -Clemente Melgar, Luis
-Poma Magro, Jean Franco
-Rute Nuñez, Max
-Yaranga Quispe, Alexander
-Yaranga Quispe, Tomas
CONTENIDO
I.
INTRODUCCION-------------------------------------------------------------------------------
---------------- 3
II.
OBJETIVOS--------------------------------------------------------------------------------------
----------------- 4
III. CIMENTACIONES EN SUELOS GRANULARES
FINOS----------------------------------------------- 5
A. SUELOS
ARENOSOS------------------------------------------------------------------------------------------- 6
B. ENSAYO DE COMPRESION EDOMETRICA Y LA INFLUENCIA DEL
HUNDIMIENTO EN LA DEFORMABILIDAD DEL
SUELO---------------------------------------------------------------------------------- 8
C. INFLUENCIA DE LA PRESION DE CONFINAMIENTO Y EL ENSAYO
TRIAXIAL CONSOLIDADO
DRENADO-------------------------------------------------------------------------------------- 13
D. LIMITACIONES DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO Y ENSAYOS DE
CAMPO DE
PENETRACION---------------------------------------------------------------------------------------------------------
- 15
E. ENSAYOS DE CAMPO DE
PENETRACION-------------------------------------------------------------- 16
1. ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR
(SPT)---------------------------------------------------- 16
2. ENSAYO DE PENETRACION LIGERA
(DPL)--------------------------------------------------------- 24
F. APLICACIÓN DE DISEÑO DE CIMENTACIONES CASOS
REALES--------------------------------- 27
IV.
CONCLUSIONES-------------------------------------------------------------------------------
--------------- 41
V.
RECOMENDACIONES-------------------------------------------------------------------------
-------------- 41
VI.
BIBLIOGRAFIA---------------------------------------------------------------------------------
--------------- 42
I. INTRODUCCION
La cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las
cargas al terreno, el cual es el único elemento que no podemos elegir, por lo que
la cimentación la realizaremos en función del mismo. Al mismo tiempo este no se
encuentra todo a la misma profundidad por lo que eso será otro motivo que nos
influye en la decisión de la elección de la cimentación adecuada.
Los agregados Finos (arenas) son un tipo de suelo sobre el cual las
cimentaciones tienen que realizarse a una profundidad en el que el terreno sea
estable.
El presente trabajo consiste en dar a conocer los diferentes tipos de ensayos a
realizarse en suelos granulares para poder realizar una buena cimentación.
En el campo de trabajo, el ingeniero civil constantemente se enfrenta a diversos
problemas surgidos por el tipo de suelo con el cual tratará, el suelo es lo que
soportará el peso de una estructura, y si este no cumple con ese objetivo, la
estructura sufrirá problemas de agrietamiento, hundimientos y otros que también
dañaran la obra realizada. Pero el suelo no sólo es utilizado como base para
soportar las cargas, sino también en taludes, como material para construcción de
viviendas, la diversidad de usos que hoy en día se le da al suelo es el resultado
de mucho tiempo de investigación.
II. OBJETIVOS
Proporcionar teorías del comportamiento de los suelos granulares finos.
Proporcionar aporte técnico a la ingeniería peruana que permita conocer
mejor nuestros suelos granulares finos, en beneficio de las personas que
habitan en estos sectores donde existan este tipo de suelos.
III. CIMENTACIONES EN SUELOS GRANULARES FINOS
El diseño de cimentación sobre suelos granulares estará gobernado por un
criterio de asentamiento, es decir, no por la resistencia al cortante a la alta
permeabilidad de las arenas y gravas, la mayor parte del asentamiento se
efectuará durante el proceso de construcción.
Otros problemas de asentamientos por construcción pueden relacionarse con
compactación inducida por vibración, cambios rápidos en el nivel freático o
efectos de sismos. También es virtualmente imposible obtener muestras no
alteradas de suelos granulares y las muestras re compactadas en general no
repiten, con confiabilidad alguna, las condiciones y propiedades en el campo.
Para determinar las características de comprensibilidad de los suelos granulares
se realizan las siguientes pruebas de campo:
Prueba de placa con carga.
Prueba normal de penetración.
Prueba del cono de penetración.
Prueba del medidor de presión.
En suelos de alta permeabilidad se pueden presentar rápidos cambios en el nivel
del agua subterránea con los efectos consecuentes sobre la densidad del suelo y
las presiones de poro. Los cálculos de capacidad de carga se deben efectuar en
términos del esfuerzo efectivo, donde se elimina el término de cohesión y donde
el ángulo de resistencia al corte en términos de esfuerzo efectivo (φ˙) con valores
entre moderados y altos, la capacidad de carga se reduce en forma sustancial,
cuando el nivel freático está situado entre la zona que se extiende desde su
superficie hasta una profundidad por debajo de la cimentación.
Se define a la resistencia al corte, o resistencia al esfuerzo cortante de un suelo
como el valor máximo, o límite de la resistencia al corte que se puede inducir
dentro de su masa antes de que ceda bajo ciertas condiciones, la flexibilidad
conducirá a la formación de una superficie de deslizamiento por corte, sobre la
cual puede tener lugar una cantidad apreciable de movimiento de deslizamiento,
por ejemplo, rotación de taludes o fallas en excavaciones, la evaluación de los
parámetros de la resistencia al corte es parte necesaria de los procedimientos
analíticos y de diseño relacionados con cimientos, muros de retención y
pendientes de terreno.
Suelos granulares:
Este tipo de suelos está constituido por materiales de origen sedimentario en los
que el porcentaje de material fino es inferior al 35% en peso. Los valores de
tensión admisible que se consideran para este tipo de suelo se suponen para
anchos de cimentación mayores o iguales a 1 m y nivel freático situado a una
profundidad mayor al ancho de la cimentación.
A. SUELOS ARENOSOS
Fracción de suelo cuyas partículas tienen un tamaño comprendido entre 0,06 mm
y 2 mm. Fina hasta 0,2 mm; media hasta 0,6 mm; gruesa por encima de 0,6 mm.,
los suelos de esta naturaleza se encuentran en diverso estado de compacidad,
además de tener variada granulometría. Si las arenas, medias y gruesas, son
compactas y su granulometría es favorable tienen apropiada resistencia para
sustentar estructuras. No ocurre lo mismo con las arenas muy finas, sobre todo si
son sueltas, como es el caso de arenas cuyo origen es producto del transporte
del viento (arenas eólicas). Las capas de arena suelta son muy susceptibles a
densificarse por efecto de la vibración causada por movimientos sísmicos,
pudiendo esperarse, eventualmente, asentamiento de la cimentación e
indeseables efectos de carácter estructural.
Cuando se trate de este tipo de suelo, es preciso profundizar las excavaciones
para cimientos y definitivamente limitar las presiones de contacto cimiento - suelo.
La razón de esta exigencia podemos percibirla cuando caminamos por la playa, la
arena fluye a cada lado hundiéndose los pies; sin embargo, a cierta profundidad
los pies no bajan ya más.
CARACTERISTICAS
Los ambientes áridos tienen una serie de implicaciones medioambientales, como
la desecación profunda, la acumulación de sales y la alta movilidad de los
sedimentos con el viento, los cuales condicionan las propiedades de estos
suelos, entre las que destacan:
Muy bajo contenido de humedad, dando lugar a suelos no saturados, con
succiones relativamente altas.
Bajo contenido en materia orgánica, por lo que los suelos áridos resultan
pobres para fines agrícolas.
Desarrollo de una costra rica en sales; la pérdida de humedad por
evaporación en la superficie produce cementaciones por precipitación de
sales.
Muchos suelos áridos tienen un origen eólico, resultando un suelo mal
graduado, con una estructura muy suelta.
B. ENSAYO DE COMPRESION EDOMETRICA Y LA INFLUENCIA DEL
HUNDIMIENTO EN LA DEFORMABILIDAD DEL SUELO
Una de las técnicas adaptadas a los equipamientos de compresión confinada, es
el edómetro basado en la técnica de translación de ejes. Utilizado inicialmente en
aparatos (cámaras o membranas de presión en laboratorio) para determinación
de la capacidad de retención de agua en el suelo.
Su finalidad es determinar la velocidad y el grado de asentamiento que
experimenta una muestra de suelo saturado al someterlo a una serie de
incrementos de presión o carga.
El aparato básicamente consiste en una célula provista de una placa porosa de
alto valor de entrada de aire (junto con una membrana semipermeable para
succiones mayores que 1.500 y menores que 10.000 kPa) y de un pistón vertical
a través del cual es posible la aplicación de las tensiones normales, así como, la
medición de los cambios de volumen de la muestra de suelo.
Descripción del ensayo:
En la Figura 4.4a se muestra el esquema de una célula edométrica con todos sus
componentes. Dentro de la célula se sitúa una muestra de suelo colocada en el
interior de un anillo rígido que impide la deformación y flujo laterales durante la
compresión. En la base y en la parte superior de la muestra se sitúan dos piedras
porosas que permiten el drenaje durante la consolidación (hay ensayos en los
que el drenaje sólo se permite por una de las caras, colocando únicamente una
de las piedras porosas).
La preparación de la muestra se puede realizar por extrusión de una muestra
inalterada contenida en un tubo portamuestras, por tallado partiendo de una
muestra inalterada en bloque, o por remoldeo. En el caso de una muestra
inalterada, la preparación provoca una cierta alteración, aunque se intente que
sea la menor posible.
Para evitar que la muestra se seque durante el ensayo, y para simular las
condiciones existentes en el campo, todo el sistema anterior se encuentra dentro
de una célula llena de agua, la cual comunica con las piedras porosas.
En la Figura 4.4b se puede observar un sistema de aplicación de carga
mediante pesas.
Parte de la carga total aplicada sobre la muestra se transmite al anillo por fricción,
haciendo que la carga que llega a la base sea algo menor. Para reducir al
máximo esta fricción, la relación diámetro-altura de la muestra debe ser como
mínimo de 2,5. Los diámetros más usuales son de 45 y 70 mm, y las alturas de
10 a 20 mm.
Una vez colocada la muestra, el ensayo consiste en aplicar una secuencia de
cargas verticales. Como se verá, el suelo se va haciendo cada vez más rígido al
irse comprimiendo. Por ello, para conseguir que la deformación en cada escalón
sea del mismo orden de magnitud, deben darse incrementos de tensiones cada
vez mayores. Es normal duplicar la carga existente. Una secuencia habitual es: 5,
10, 20, 40, 80, 150, 300, 600, 1000, 1500 kPa y descarga.
Después de la aplicación de cada escalón de carga se deja consolidar la muestra
hasta que el exceso de presión intersticial producido en su interior se reduce a
cero. En teoría este tiempo es infinito, sin embargo, en la práctica se establece
que a las 24 horas la consolidación puede considerarse finalizada. Los escalones
de carga se prosiguen hasta alcanzar la máxima presión que se desee, después
de lo cual se procede a descargar, también por escalones sucesivos. Durante la
descarga el suelo aumenta de volumen.
Durante cada escalón de carga se registra el valor del asiento producido
mediante la lectura del medidor de asientos (ver Figura 4.4b), para distintos
tiempos. Estos valores permiten obtener la deformación de la pastilla de suelo en
distintos instantes, y por tanto, son una medida de la evolución de las
deformaciones con el tiempo.
El hundimiento alcanzara cuando la presión actuante (total bruta) sobre el terreno
bajo la cimentación supere la resistencia característica del terreno frente a este
método de rotura, también llamada presión de hundimiento.
La resistencia unitaria de hundimiento por punta de pilotes en suelos granulares
se podrá estimar mediante cálculos matemáticos.
Así mismo la resistencia unitaria por corte en suelos granulares se podrá estimar
también mediante cálculos matemáticos.
Cimentación: Conjunto de elementos de cualquier edificación cuya misión es
transmitir al terreno que la soporta las acciones procedentes de la estructura
Presión de hundimiento
La expresión analítica de la presión de hundimiento consta de tres sumandos que
se denominan respectivamente, al igual que los factores de capacidad de carga,
término de cohesión, de sobrecarga y de peso específico. Cada uno de los
sumandos representa la contribución de las citadas variables (ck, q0k, gk) a la
resistencia.
En especial cuando las cimentaciones sean someras, se debe considerar
prudentemente la conveniencia de emplear el término de sobrecarga, debiendo
asegurar en caso afirmativo que las hipótesis realizadas se mantendrán durante
la vida útil de la construcción.
Coeficientes Correctores O De Influencia
Influencia de la resistencia al corte del terreno situado sobre la base de la
cimentación (coeficientes d)
Cuando la base de la cimentación se sitúa a cierta profundidad D bajo la
superficie del terreno, la superficie de rotura teórica, asociada al estado límite
último de hundimiento, ha de movilizar la resistencia al corte del terreno.
Influencia de la forma de la cimentación (coeficientes s).
El efecto de la forma del cimiento se podrá tener en cuenta mediante los factores
de corrección.
C. INFLUENCIA DE LA PRESION DE CONFINAMIENTO Y EL ENSAYO TRIAXIAL
CONSOLIDADO DRENADO
A este ensayo se lo conoce también como ensayo lento (S), a este tipo de ensayo
el espécimen se consolida primeramente bajo una presión de confinamiento, así
el esfuerzo llega a ser efectivo, es decir, la presión de cámara queda actuando
sobre la fase sólida del suelo durante el ensayo C.D. se pueden medir las
variaciones de volumen dentro de la muestra, es decir, las variaciones de
volumen que experimenta el índice de vacíos, esto se debe a que el agua
contenida en ellos comienza a salir lentamente, lo que permite un reacomodo de
las partículas sólidas del suelo.
Su principal finalidad es obtener parámetros del suelo y la relación esfuerzo-
deformación a través de la determinación del esfuerzo cortante. Es un ensayo
complejo, pero la información que entrega es la más representativa del esfuerzo
cortante que sufre una masa de suelo.
El ensayo triaxial consolidado drenado en suelos
granulares la Curva esfuerzo-deformación y
cambio volumétrico La relación de vacíos inicial
tiene una gran influencia sobre las curvas esfuerzo-deformación y sobre el
cambio de volumen que experimenta la muestra.
.
D. LIMITACIONES DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO Y ENSAYOS DE
CAMPO DE PENETRACION
Limitaciones de los Ensayos de Laboratorio son:
Representativa: Las muestras que se ensayan corresponden a puntos
aislados, no siendo representativos de todo el conjunto ni de la
variabilidad de factores presentes en la naturaleza, y que condicionan los
comportamientos de los materiales, de ahí la importancia de realizar un
número de ensayo estadísticamente representativo. En mucho de los
casos las condiciones ambientales en que se encuentran las muestran
son difíciles de reproducir en laboratorio.
Escala: Se ensayan pequeñas porciones de material, a partir de las
cuales se pretende la caracterización y la predicción del comportamiento
de ámbitos más amplios. La diferencia con las escalas y
comportamientos reales hace necesaria la utilización de factores de
conversación o correcciones para extrapolar los resultados a escala de la
muestra.
Velocidad. Los procesos de deformación y rotura se reproducen en
laboratorio generalmente en unos pocos minutos, mientras que en la
naturaleza estos procesos pueden ser el resultado de condiciones y
acciones a lo largo de periodos muy dilatados de tiempo.
Si estos aspectos se añaden la influencia de otra serie de factores relacionados
con la ejecución de los ensayos, como el tipo y características de la máquina
utilizada, la preparación de las probetas, etc., se entenderán las limitaciones y
dificultades asociadas a la caracterización de las propiedades de las muestras a
partir de ensayos de laboratorios. Los resultados sólo son aplicables a la zona
afectada por el ensayo. Sin embargo, su mayor ventaja es que se realizan sobre
la propia muestra.
E. ENSAYOS DE CAMPO DE PENETRACION
Los ensayos o pruebas de penetración son pruebas realizadas para la
determinación de las características geotécnicas de un terreno, como parte de las
técnicas de reconocimiento de un terreno.
Con los datos de resistencia a la penetración que se obtienen en un ensayo de
estas características, es posible, establecer una serie de correlaciones para
distintos tipos de suelo, con el fin de conseguir caracterizarlo geotécnicamente.
Aunque su utilidad sea grande, particularmente en la determinación de la
profundidad de las capas competentes o de rechazo en la hinca, dicha técnica de
reconocimiento del terreno de la que se obtiene de forma indirecta las
características y propiedades del terreno, ha de ser por fuerza de poca precisión.
Esto hace que haya quien no considere estos métodos, auténticos ensayos "in
situ", denominándolos más bien como pruebas de penetración.
1. ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR (SPT)
El ensayo de penetración estándar SPT es ampliamente utilizado en exploración
geotécnica dado que existe una gran variedad de correlaciones entre el número
de golpes del que se obtienen tras la ejecución del ensayo y algunos parámetros
geotécnicos de gran importancia en el diseño de cimentaciones.
Este método permite obtener parámetros de resistencia del suelo tales como, el
ángulo de fricción (F’), la cohesión (c’), la resistencia al corte no drenada (Su) y
algunos parámetros de deformabilidad como el módulo de Young (E), a partir de
correlaciones propuestas por diferentes autores y que son de amplio uso en el
diseño de diferentes estructuras geotécnicas dada la facilidad de su uso. Se ha
observado en general que los resultados que se obtienen son razonables y
aproximados para el caso de suelos granulares a los que se podrían obtener de
pruebas más completas como es el caso de ensayos triaxiales, y menos
aproximados para el caso de suelos cohesivos.
El ensayo de penetración estándar de siglas S.P.T. Consiste en contar el
número de golpes que se necesitan para introducir dentro del suelo, un tubo
partido a diferentes profundidades, en este caso con variaciones de medio metro
y se lo utiliza especialmente en terrenos que requieran realizar un reconocimiento
geotécnico. Él toma muestras es golpeado con una energía constante, con una
masa en caída libre de 145 lb y una altura de caída de más de 70 cm.
Es recomendable realizarlo en depósitos de suelo arenoso y de arcilla blanda; no
se recomienda para suelos de roca, grava o arcilla consolidada ya que puede
dañar el equipo.
MATERIALES:
De acuerdo a la norma ASTM D 1586 y AASHTO T 206, los
materiales a emplearse son:
Pesa de 140 lb. con una altura de caída de 76.2 cm.
Barreno espiral para hacer huecos superficiales mayor a d6
mm y menor de 162mm.
Brazos de perforación
Varillas para muestreo.
Tubo partido con punta de acero endurecido que produzca un
diámetro interior constante de 35 mm.
Martillo y cabezote de 63.5 ± 1 kg, que actuara como masa
para introducir el muestreador.
Trípode de carga.
Flexómetro.
Tiza.
Ensayo SPT
El sacamuestras se hinca 45 cm en el fondo de una perforación mediante golpes
de una maza de 63.5 kg que cae desde 76 cm de altura.
PROCEDIMIENTO:
De forma general el ensayo se ejecuta de la siguiente manera:
En primer lugar se realiza un sondeo hasta la profundidad establecida, y a
continuación se lleva al fondo de dicha perforación una cuchara
normalizada que se hinca 15 cm. en la capa a reconocer, a fin de eliminar
la zona superficial parcialmente alterada.
Se hace entonces una señal sobre el varillaje y se cuenta el número de
golpes (N) necesarios para hincar de nuevo la cuchara, la profundidad de
un pie (30 cm.). Como se mencionó anteriormente, la masa que se utiliza
para la hinca pesa 140 lb. y su altura de caída es 30 plg., lo que
corresponde a un trabajo de 0.5 KJ por golpe, aproximadamente.
Entonces el parámetro medido será: N = N1 + N2, en donde N1
corresponde a el número de golpes necesarios para hundir el toma-
muestras 15 cm. Y N2 es en número de golpes que se necesita para
hundir los 15 cm. restantes del toma-muestras.
Finalmente se abre la cuchara partida y se toma la muestra de su interior,
para realizar los ensayos correspondientes (Contenido de Humedad,
Granulometría, Límites de Consistencia, Peso Específico).
Este ensayo se debe realizar máximo hasta los 50 golpes, ya que,
después de este límite, introducir el equipo de perforación dentro del
estrato puede causar daños al mismo. Cuando tenemos este caso, se dice
que existe RECHAZO (roca o suelo muy bueno).
La norma ASTM D1586-84 indica que la prueba se puede dar por finalizada
cuando se aplican 50 golpes para un tramo de 15 cm, al aplicar 100 golpes en
total o cuando no haya penetración alguna durante 10 golpes.
El tubo partido nos permite además, obtener una muestra alterada del suelo que
posibilita la identificación de los materiales que lo componen y que podremos
representar en un perfil del suelo.
La fórmula de N corregido es:
N corregido=15+ 12(Nm−15) , para profundidades de hasta 2 metros.
N corregido=Nm (0.7∗log( 195.29 )), para profundidades mayores a 2 metros.
Donde Nm=Σ N 2+N 3.
Otro parámetro que se puede determinar a partir del N obtenido y de la
clasificación posterior del suelo, es el grado de compacidad en caso de suelos
arenosos y la consistencia en caso de suelos arcillosos, esto mediante tablas
que relacionan los mencionados valores:
A partir del N del ensayo S.P.T. se pueden determinar la resistencia a la
penetración la presión admisible.
Resistencia a la penetración: Rp=N*4
Carga admisible: σadm =N/10
VENTAJAS Y DESVANTAJAS DEL SPT El ensayo de Penetración Estándar es uno de los más usados normalmente en las pruebas in situ, debido a su simplicidad y su historia considerable de datos reunidos. Sin embargo, allí también hay limitaciones de la prueba que deben reconocerse. En los Cuadros Nº 5 y 6 se presenta un resumen de ventajas y desventajas de la Prueba de Penetración Estándar como un compilado de varios investigadores.
Cuadro N° 5 Ventajas del Ensayo de Penetración Estándar
Cuadro N° 6. Desventajas del Ensayo de Penetración Estándar
2. ENSAYO DE PENETRACION DINAMICA LIGERA (DPL)
Adicionalmente a las exploraciones con el equipo, se requiere realizar ensayos
de penetración dinámica ligera (DPL), con la finalidad determinar las condiciones
de resistencia del terreno donde se llevaran a cabos obras de arte y la
cimentación del canal.
Este método describe el procedimiento generalmente conocido como ensayo de
penetración ligera, consiste en introducir al suelo una varilla de acero, en una
punta se encuentra un cono metálico de penetración con 60° de punta, mediante
la aplicación de golpes de un martillo de10kg que se deja caer desde una altura
de 0.50m. Como medida de la resistencia a la penetración se registra el numero
N, ha sido correlacionado con algunas propiedades relativas al suelo,
particularmente con sus parámetros de resistencia al corte, capacidad portante,
densidad relativa, etc.
EQUIPOS Y MATERIALES
Equipo de DPL DIN 4094
Cono metálico de penetración (60°)
Yunque o Cabezote
Varillas o tubos de perforación
Martillo o pesa (10kg)
Barra guía
Otros equipos.- Guantes y alicates de manipuleo
EQUIPO – DPL
El ensayo DPL (DIN 4094), consiste en el hincado continuo en tramos de 10 cm
de una punta cónica de 60º utilizando la energía de un martillo de 10 kg de peso,
que cae libremente desde una altura de 50 cm. Este ensayo nos permite obtener
un registro continuo de resistencia del terreno a la penetración, existiendo
correlaciones para encontrar el valor N de resistencia a la penetración
estándar en función del tipo de suelo, para cada 30 cm de hincado. (Ver gráfico
adjunto).
Así mismo se aclara que este tipo de ensayo no altera de ninguna manera el
medio en el que se realiza y la ubicación de los puntos de investigación se ha
programado en las zonas de estudio.
El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90º y
2.20cm de diámetro.
EL martillo pesa 10kg y la altura de caída es de 50cm
El valor Npsl corresponde al número de golpes para conseguir 10cm de
penetración.
El ensayo es continuo y se registra valores cada 10cm.
Por la cantidad de datos de la resistencia a la penetración este ensayo es
muy recomendado en cimentaciones.
La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo
que alteran los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo.
CALCULOS
Determinación del Angulo de Fricción Interna
Relación de Ohsaki (1959)
Dónde:
Φ= ángulo de fricción interna del suelo.
N= Número de golpes por cada cm de penetración del ensayo de SPT.
UbicaciónProfundidad
(m)φ- Ensayos DPL
(°)
φ- corte directo
(°)T-087 3,00-4,30 33,4-37,4 36,3T-089 0,70-4,50 33,4-38,7 36,0T-099 1,70-3,90 27,6-36,4 35,0T-108 0,80-4,50 31,7-37,8 33,0
Determinación de la cohesión
Relación propuesta por HUNT en 1984 y las tablas propuestas por NAVFAC en 1971
UbicaciónProfundidad
(m)Cu- Ensayos DPL
(Kg/cm2)Cu-Ensayo Triaxial
(Kg/cm2)T-003 1,40-3,40 1,39 1,38
Cuadro Nº 7 Resumen de comparación del ángulo de fricción (φ)
Cuadro Nº 8 Resumen de comparación de la Cohesión (Cu)
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES DEL ENSAYO
Vemos que según el grafico de DLP (mm/golpes) vemos cuan resistente es el
suelo a los diferentes estrato posibles a ser encontrados en el site, esto lo
corroboramos con la calicata escavada a un costado de la prueba.
Cada capa homogénea de suelo da lugar a una recta cuya pendiente recibe el
nombre de índice de penetración o número PDC, indicando una medida de su
resistencia
Este tipo de evaluación nos puede mostrar el cambio que puede adoptar un suelo
cuando se estabiliza o la sectorización del tramo en estudio.
F. APLICACIÓN DE DISEÑO DE CIMENTACIONES CASOS REALES
1. APLICACIÓN DE DISEÑO DE CIMENTACIONES
En este caso la aplicación de la fórmula general (1), con c = o, suele dar
presiones de hundimiento muy elevadas debido a los grandes valores de Nq Y
NY para los Ø usuales (>30º). Sin embargo, no por ello queda asegurado que los
asientos sean admisibles para las presiones de trabajo así obtenidas, por lo cual
se tiende a fijar dichas presiones en relación con los asientos.
Dada la dificultad del muestreo y ensayo en laboratorio de estos suelos lo usual
es utilizar parámetros de resistencia o deformabilidad deducidos de medidas inti
situ realizadas.
El método más antiguo es el de Terzaghi y Peck (1948) que da las expresiones
siguientes (fig. 2.22):
Fig. 8 Asentamientos de zapatas deducidos de la penetración estándar N (Según
Terzaghi y Peck)
Siendo:
qadm = la presión admisible en Kg/cm2
s = el asiento tolerable en pulgadas, que en la fig. 2.22 se ha fijado como
de 1 pulgada (2,54 cm).
N = es el número de golpes medio del ensayo de penetración estándar
(S.P.T.) en la zona de influencia de la cimentación.
B el ancho de la misma.
Las expresiones anteriores, que han sido profusamente empleadas, resultan
excesivamente conservadoras por lo que ha habido numerosas propuestas de
modificaciones, aunque aún no existe ningún otro método universalmente
aceptado.
Posteriormente Meyerhof (1956) recomendó aumentar las presiones admisibles
dadas por Terzaghi y Peck en un 50% y no considerar reducciones en el valor de
N por la presencia del nivel freático, ya que esto quedaba reflejado en el ensayo.
Sin embargo, Schmertmann comprobó que, en el caso de losas o zapatas de
grandes dimensiones, los asientos calculados eran inferiores a los reales.
Bazaraa en 1967 propuso emplear la fórmula
siendo NB = valor N corregido por la sobrecarga de tierras a. al nivel de
cimentación según las expresiones siguientes
y K un factor de corrección obtenido por la relación entre la tensión vertical a la
profundidad B/2 bajo la zapata, en estado seco y la que se produce a la misma
profundidad cuando existe nivel freático.
Schultze y Sherif propusieron en 1973 la correlación que aparece en la fig. 2.23.
Los autores señalan que el error de la predicción puede ser de ±40 %. Sin
embargo, se ha comprobado que los errores pueden ser muy importantes en el
caso de cimientos de grandes dimensiones (B > 5 m) y/o cuando el espesor de
terreno compresible es superior a 2B.
Fig 9 Correlación propuesta por Schultze y Sherif
Las teorías más recientes tienden a estimar los asientos (y a partir de ellos la
qadm) por integración de deformaciones elásticas, utilizando correlaciones entre
N y el módulo de deformación E. Así, por ejemplo, en arenas normalmente
consolidadas y con niveles de presión medios (> 1,5 kp/cm2) se obtienen
resultados aceptables con los métodos de Webb y Schmertmann.
Fig. 10 Método de Schmertmann.
Parry ha sugerido que en arenas flojas (N < 15) y zapatas superficiales (D/B < 1)
de dimensiones moderadas (B <2,20 m) la presión admisible viene determinada
por condiciones de capacidad portante, mientras que en los demás casos
predominan las limitaciones de asientos. Según este autor resultaría
Siendo Nm el valor de N a una profundidad D + 3B/4 bajo la superficie del
terreno.
Para los demás casos propone
Siendo s el asiento en cm y B el lado de la zapata en m.
Para diversas compacidades de arena, la relación entre el cociente del asiento y
la presión y el ancho de la cimentación.
Resumen de diversos criterios y resultados experimentales de asientos de zaptas
de arena.
Se ha intentado frecuentemente relacionar los asientos de placas de ensayo con
los de cimentaciones reales. La ley empírica más antigua es la propuesta por
Terzaghi:
Que expresa la relación entre el asiento s0 de una placa de 0,30 x 0,30 m2 y el
de una cimentación de ancho B para la misma presión unitaria. La fórmula puede
generalizarse para una placa de lado cualquiera B0:
Como puede verse, para B x, S — 4 so, estableciendo un límite a ¡os posibles
asientos. Sin embargo, las experiencias posteriores han demostrado que tal límite
es improbable y que los asientos aumentan con el tamaño de la cimentación
según leyes de tipo parabólico. En la fig. 2.26 se resumen algunas de estas
recomendaciones.
Relación entre el asentamiento y las dimensiones de la superficie cargada según
datos recogidos de casos reales.
2. APLICACIÓN DEL ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR EN LA
DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS GEOTÉCNICOS DE SUELOS
GRANULARES
En el presente artículo se plantean los aspectos generales del ensayo de
penetración estándar (SPT por sus siglas en inglés), en términos de la
descripción de su ejecución basada en las especificaciones vigentes. Luego se
presentan las correlaciones existentes que permiten obtener parámetros de
resistencia en suelos granulares, se presenta un ejemplo de aplicación de las
mismas para una perforación en particular, finalmente las respectivas
recomendaciones y limitaciones del ensayo.
Aplicaciones y correlaciones
El ensayo SPT tiene su principal utilidad en la caracterización de suelos
granulares (arenas o gravas arenosas), en las que es muy difícil obtener
muestras inalteradas para ensayos de laboratorio.
Al estar su uso muy extendido y dispone de una gran experiencia geotécnica en
estas pruebas, se han planteado correlaciones entre el golpeo SPT y las
características de los suelos arenosos, así como con diversos aspectos de
cálculo y diseño geotécnico.
También existen correlaciones en el caso de que el terreno sea cohesivo, pero
al ser un ensayo prácticamente instantáneo, no se produce la disipación de los
incrementos de presiones intersticiales generados en estos suelos arcillosos
por efecto del golpeo, lo que claramente debe influir en el resultado de la
prueba.
Por ello, tradicionalmente se ha considerado que los resultados del ensayo SPT
(y por extensión, los de todos los penetrómetros dinámicos) en ensayos
cohesivos no resultan excesivamente fiables para la aplicación de
correlaciones. En la actualidad, este criterio está cuestionado, siendo cada vez
más aceptado que las pruebas penetrométricas pueden dar resultados
igualmente válidos en todo tipo de suelo. En cualquier caso, al margen de la
validez o existencia de correlaciones, el valor del golpeo obtenido en un ensayo
de penetración simple es un dato indicativo de la consistencia de un terreno
susceptible de su utilización para la caracterización o el diseño geotécnicos.
Cuando el terreno atravesado es grava, la cuchara normal no puede hincarse,
pues su zapata se dobla. Con frecuencia se sustituye por una puntaza maciza
de la misma sección (no normalizada). El ensayo SPT no proporciona entonces
muestra. El golpeo así obtenido debe corregirse dividiendo por un factor que se
considera del orden de 1'5.
Ejemplo de aplicación
A continuación se presentan los valores del Ncampo para una perforación
realizada para un proyecto de construcción de vivienda. A partir de esta
información se procederá a calcular los parámetros de resistencia con
las correlaciones y factores anteriores mencionados.
Perforación Profundidad m N1 N2 N3 N
CAMPO
No. g/pie g/pie g/pie g/pie
1 0 - 0,45 5 4 4 8
0,45 - 0,9 3 5 7 12
0,9 - 1,35 8 11 12 23
1,35 - 1,8 11 15 16 31
2,5 - 2,95 15 18 25 43
2,95 - 3,3 9 12 R R
Tabla 4. Valores del número de golpes para diferentes profundidades obtenidos
a partir del ensayo de campo. Fuente: propia
En la Tabla 4 se presentan los valores que se obtuvieron en campo a partir de
la perforación ejecutada; en la Tabla 1 se explica cómo se obtiene el valor del
Ncampo.
Con el Ncampo como valor de entrada, se procede a calcular los parámetros de
resistencia efectivos, en este caso ángulo de fricción y módulo de elasticidad.
PROFUNDIDA
D
Prof. Nivel
Freátic
o
N σ´VO CN N N70 N60
m prom
.
m g/pie KN/
m2
Pe ck
e t al
corregid
o
g/
pie
g/
pie
0,00 - 0,45 0,23 - 8 4,05 2,00 16,00 5 6
0,45 - 0,90 0,68 - 12 12,15 2,00 24,00 8 9
0,90 - 1,35 1,13 - 23 20,25 2,00 46,00 15 17
1,35 - 1,80 1,58 - 31 28,35 1,84 56,97 20 23
2,50 - 2,95 2,73 - 43 49,05 1,40 60,08 28 32
2,95 - 3,30 3,13 - R 56,25 1,30 R R R
Tabla 5. Ejemplo de cálculo de parámetros (parte 1). Fuente: propia
PROFUNDI
DAD
m
ÁNGULO DE FRICCIÓN (F)° Es(kPa)
Meyer
hof,
1965
Peck
1974
Schmert
m ann,
1975
Hatanak
a &
Uchida,
1996
Prome
dio
Bowle
s
1968
Schmert
m ann
1970
0,
00
- 0,45 31 31 29 35 30 14045
,5
9600,0
0,
45
- 0,90 34 32 33 39 32 17318
,2
14400,0
0,
90
- 1,35 43 37 39 46 38 26318
,2
27600,0
1,
35
- 1,80 48 39 42 49 41 30807
,6
34184,4
2,
50
- 2,95 49 40 45 50 46 32078
,8
36048,9
2,
95
- 3,30 - - - - - - -
PROMED
IO
37 29734
,9
32611,1
Tabla 6. Ejemplo de cálculo de parámetros (parte 2). Fuente: propia
Para complementar el ejemplo de aplicación se presenta el
procedimiento detallado de cálculo de la primera fila.
Profundidad promedio:
Esfuerzo efectivo vertical:
Observación: para el cálculo del esfuerzo efectivo vertical se tomó un
peso unitario promedio de 18kN/m3, el cual se obtiene a partir de los
respectivos ensayos de laboratorio.
Corrección por profundidad
se toma 2.0
Corrección del N:
Valor de N para una energía del 70%:
Valor de N para una energía del 60%:
Observación: Para el cálculo del N para energías del 70% y del 60% se tuvo en
cuenta que el ensayo fue ejecutado en Colombia, por lo tanto, la energía de
referencia es el 45% como aparece en el numerador de las anteriores
expresiones, se procede a dividir por la energía que se desea obtener.
Angulo de fricción, Meyerhof:
Angulo de fricción, Peck:
Angulo de fricción, Hatanaka y Uchida:
Angulo de fricción, Schmertmann:
Módulo de Young, Bowles:
Módulo de Young, Schmertmann:
Observación: Para el cálculo del ángulo de fricción por las tres anteriores
metodologías, el valor de N60 se multiplica por el factor de corrección
por profundidad CN, para el ejemplo de la primera fila de la Tabla 6 es 2,0.
Observación: de acuerdo con las ecuaciones presentadas en la tabla 3, el suelo
con el que se trabajará es una arena normalmente consolidada para el caso de
la ecuación propuesta por Bowles, esto se concluye a partir de la caracterización
del suelo. El valor de N que se ingresa en las dos ecuaciones para el cálculo del
módulo de elasticidad es el N corregido que ya incluye el factor CN, que para el
ejemplo es 16 y se lleva a una energía del 55%, razón por la que se incluye
el factor (45/55). Finalmente se calculan los promedios para el ángulo de fricción
y para el módulo de elasticidad, como se muestra en la Tabla 6, es importante
aclarar que para el cálculo del promedio del módulo de Young se tuvo en cuenta
la discrepancia de los valores que se obtuvieron entre las diferentes ecuaciones.
En la gráfica 1 se muestra el comportamiento de las dos ecuaciones para
diferentes valores de N corregido.
Gráfica 1. Representación del módulo de elasticidad en función del N corregido
del SPT. Fuente: propia
Como se observa en la gráfica 1, para valores relativamente pequeños del
Ncorregido, el módulo de Young presenta variaciones significativas, a partir de
20 las dos ecuaciones comienzan a aproximarse y después de 60
comienzan nuevamente a divergir. Por lo tanto, para el cálculo de los
promedios se tomaron los resultados del N corregido entre este rango, de tal
forma que se obtuvieran unos promedios a partir de datos que no presentaran
mayor dispersión y obtener un valor representativo.
La metodología del SPT es bastante útil para la obtención de parámetros
geotécnicos de resistencia y deformabilidad en suelos granulares y en suelos
cohesivos, siendo esta más aproximada para el primer tipo de suelos.
Es necesario tener en cuenta que los parámetros que se calculan son
aproximados y útiles para tener una idea inicial de las condiciones del suelo, sin
embargo se debe complementar con ensayos de resistencia en laboratorio,
tales como triaxiales y cortes directos.
El ejemplo presentado en este artículo trata de reunir una metodología la cual
se puede programar fácilmente en una hoja de cálculo; para el caso de la
corrección por confinamiento se empleó una correlación y para el ángulo de
fricción cuatro, teniendo presente que existen más propuestas por otros autores
y que se pueden adicionar al ejemplo de cálculo.
IV. CONCLUSIONES
La resistencia de un suelo es el mayor esfuerzo al que puede ser sometido.
La geometría de la mayoría de los problemas geotécnicos es de tal manera
que prácticamente todo el suelo se encuentra en compresión.
Aun cuando el suelo pueda fallar debido a la aplicación de grandes esfuerzos
de compresión, el suelo falla realmente al corte.
Muchos problemas geotécnicos requieren de una evaluación de la resistencia
al corte del suelo, tales como: taludes, presas de tierra, fundaciones de
estructuras, muros de contención, etc.
V. RECOMENDACIONES
Saber interpretar el estudio geotécnico.
En todo Estudio de Mecánica de Suelos se deberá indicar el asentamiento
tolerable que se ha considerado para la edificación o estructura motivo del
estudio.
El Asentamiento Diferencial no debe ocasionar una distorsión angular mayor
que la indicada en la norma E - 050
En caso de suelos granulares el asentamiento diferencial, se puede estimar
como el 75% del asentamiento total.
En caso de tanques elevados y similares y/o estructuras especiales el
asentamiento tolerable no deberá superar el requerido para la correcta
operación de la estructura.
Emplear los parámetros geotécnicos establecidos en la norma de suelos y
cimentaciones en los cálculos.
Conocer la normativa actual que rige en nuestro país (NormaE.050)
VI. BIBLIOGRAFIA
TERZAGHI Y LA MECANICA DE SUELOS - Jorge E. Alva Hurtado, PhD
INTRODUCCIÓN A ALGUNAS PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LOS
SUELOS - Ing. Julio Roberto Nadeo.
DISEÑO de CIMENTACIONES Conceptos Teóricos y Aplicaciones Prácticas - Dr.
Jorge E. Alva Hurtado
CIMENTACIONES SOBRE ARENA Y LIMO NO PLASTICO - Enrique Vazquez
Vicente (Prof. Asoc. Universidad de Sevilla).
MANUAL DE MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES – Angel Muelas
Rodriguez.