TEMA 4. CAPACIDAD DE CARGA DE SUELO

1. INTRODUCCIN. NECESIDAD DE SU ESTUDIO. CONCEPTO DE ESTABILIDAD Y FALLLA.La capacidad de carga del suelo no es ms que la resistencia que ofrece el suelo a deformarse, debido a la fuerza de friccin y cohesin entre sus partculas. Por capacidad portante de un suelo se interpreta el estado tensional lmite ms all del cual se produce la falla por corte del mismo. Esto se puede visualizar por medio del anlisis del modelo mecnico desarrollado por Khristianovich, quien desarrollo una balanza ordinaria, cuyo desplazamiento est restringido por friccin en las guas de los platillos, de tal forma que si un peso suficientemente pequeo se coloca en un platillo, la balanza permanece en equilibrio, pues la friccin en las guas puede neutralizarlo; en cambio, si el peso colocado es mayor que la capacidad de las guas para desarrollar friccin, se requerir un peso suplementario en el otro platillo, para alcanzar el equilibrio. Se entender por equilibrio crtico de la balanza, la situacin en la que esta pierde el equilibrio con cualquier incremento de peso en uno de sus platillos.

Los mtodos que se utilizan para resolver los problemas de ingeniera civil referentes a la capacidad de carga del suelo como cimiento se fundamentan en las matemticas aplicadas y en la mecnica del medio continuo, contando esta ltima con dos disciplinas: la teora de la elasticidad y la teora de la plasticidad.

El estudio de la capacidad de carga del suelo es necesario debido a que Las obras de ingeniera civil descansan, de una u otra forma, sobre el suelo, y muchas de ellas, adems, utilizan la tierra como elemento de construccin para terraplenes, diques y rellenos en general, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y esttico, estar regido por la conducta del material de asiento situado, o por la del suelo utilizado para conformar los rellenos, y si se sobrepasan los lmites de la capacidad resistente del suelo, o si an sin llegar a ellos las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizs no tomados en consideracin en el diseo, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o a su inutilizacin y abandono.

Estabilidad: es la capacidad que tienen los cuerpos de mantenerse en equilibrio ante la aplicacin de cargas externas. Es la seguridad de una masa de tierra contra la falla o movimiento. Falla: es un deslizamiento o una discontinuidad que se forma por el movimiento del suelo cuando pierde su estabilidad.

2. TIPOS DE FALLA POR CAPACIDAD. FALLA GENERAL POR CORTE. FALLA LOCAL POR CORTE. FALLA POR CORTE PUNZONADO.Las fallas por capacidad se producen cuando el terreno tiene una capacidad de carga inferior a las cargas impuestas. Este tipo de fallas sucede cuando se construye sobre rellenos no compactados o con un nivel bajo de compactacin, cuando se colocan fundaciones superficiales en un terreno de baja capacidad de soporte, cuando las fundaciones son pilotes que no alcanzan terreno firme, entre otros.

2.1. FALLA GENERAL POR CORTE: la superficie de deslizamiento es continua desde un borde de la cimentacin hasta la superficie del terreno en el lado opuesto. Es una falla sbita y catastrfica, con una inclinacin substancial del cimiento y una expansin del suelo a los lados del cimiento. Es caracterstica de las arenas compactas.2.2. FALLA LOCAL POR CORTE: se produce hinchamiento y asentamiento del suelo. Se forma una cua debajo de la cimentacin como en la falla general por corte pero las superficies de falla no son completas.2.3. FALLA POR CORTE PUNZONADO: se produce movimiento vertical de la cimentacin, mediante la compresin del suelo debajo de ella. La rotura del suelo se produce por cortante alrededor de la cimentacin. La superficie del suelo en torno al cimiento casi no se altera por lo que no se observan movimientos previos a la rotura.

NOTA: Cuando el suelo es incompresible, bajo el cimiento se desarrollar una falla por corte general, y cuando el suelo es compresible, se desarrollar una falla por punzonado.

3. TEORAS DE CAPACIDAD DE CARGA. Las teoras actualmente utilizadas se fundamentan en la Teora de Elasticidad y la Teora de Plasticidad, siendo la ltima la ms utilizada por tener mayor correspondencia con la realidad y abarcar un nmero mucho mayor de problemas de importancia en los suelos. Las hiptesis de la Teora de Plasticidad son: El suelo es homogneo e istropo (hiptesis comn a la Teora de la Elasticidad). Esta hiptesis busca la simplicidad matemtica y fsica; en la prctica, algunos suelos se acercan ms a esta hiptesis que otros; los suelos estratificados o aqullos cuyas propiedades en direccin vertical y horizontal difieren mucho, son los que se separan ms de esta suposicin. No se consideran efectos en el tiempo (hiptesis comn a la Teora de la Elasticidad). En las arenas esta hiptesis es bastante satisfactoria, tanto en lo referente a compresibilidad como a resistencia y an en lo referente a las curvas esfuerzo deformacin. En las arcillas el efecto del tiempo es de mayor importancia y a la fecha existen muchas incertidumbres al respecto. Sin embargo, en las aplicaciones prcticas el estudiar las condiciones ms desfavorables de la vida de la estructura, para tomarlas como criterio de proyecto, proporciona una norma que permite superar sin peligro mucho de la ignorancia que se tiene. No se consideran fenmenos de histresis en la curva esfuerzo deformacin. El aceptar esta hiptesis en los suelos conduce, aparentemente a fuertes desviaciones de la realidad; sin embargo, en la prctica, la situacin se arregla considerando en una curva esfuerzo deformacin que contenga tramos de carga y descarga, una ley particular para el primero y otra diferente, para el segundo. Lo anterior es posible y aceptable dado que los casos prcticos ms frecuentes, en la Mecnica de Suelos aplicada, corresponden o bien a un problema de carga o bien a uno de descarga, bien definidos. No se consideran efectos de temperatura. Dada la pequea variacin de temperatura que afecta a los suelos reales, se considera hoy que esta hiptesis no introduce ninguna desviacin seria en los anlisis. Casos especiales como la accin de helada, se estudian en la Mecnica de Suelos actual.

La teora de plasticidad acepta el criterio de fluencia para el material, entonces se acepta que el suelo fluya indefinidamente en todo punto en el que el esfuerzo cortante alcance el valor:

= s = c + tg (ley de Coulomb, 1776)a no ser que exista alguna restriccin en la vecindad del punto o zona plastificada.

Al aceptar la formulacin de la Teora de Plasticidad, debe aceptarse entonces que en un material perfectamente plstico los niveles de esfuerzo no pueden aumentar sin lmite al aumentar las solicitaciones externas; al alcanzar la condicin de fluencia las deformaciones aumentan a esfuerzo constante, por lo tanto un medio plstico sujeto a cargas crecientes debe llegar a una situacin tal que un pequeo aumento de los esfuerzos producir el flujo plstico, tal condicin se conoce con el nombre de Colapso plstico, el sistema de cargas que lo produce se llama sistema de cargas lmites y el mecanismo de colapso o de falla ser la distribucin de velocidades de deslizamiento en el momento del colapso.

El colpaso plstico cuenta con dos teoremas. El primero afirma que cuando el factor de seguridad sea mayor o igual que 1 la distribucin real de los esfuerzos va a ser menor que la admisible, por lo que se conduce a una situacin estable. Y el Segundo teorema afirma que cuando el factor de seguridad sea menor o igual que 1 la distribucin real de los esfuerzos va a ser mayor que la admisible, por lo que se conduce a una situacin inestable.

3.1. TEORA DE PRANDTLPrandtl determin en el marco de la Teora de la Plasticidad, que el valor de la carga lmite (qmax) que no es ms que la mxima presin que se puede dar al elemento rgido sin que penetre en el medio semiinfinito, est dada por el valor siguiente qc = ( + 2) c

Se supone que el medio semiinfinito es rgido plstico perfecto, plano, homogneo e istropo.

3.2. TEORA DE HILL: obtiene el mismo valor que la de Prandtl, haciendo notar que si la superficie del medio semiinfinito no fuese horizontal, la presin lmite (qc) toma el valor:qc = 2c (1 + ). qc = 2c para = 0qc = ( + 2) c para = 90 (superficie horizontal en medio semiinfinito)

3.3. TEORA DE TERZAGHI: estableci que la presin mxima es: qc = c Nc + h Nq + 0.5 B N

Donde Nc , Nq y N son los factores de capacidad de carga coeficientes adimensionales que dependen de , es el ngulo de friccin interna del suelo, h es la altura de desplante de la cimentacin y es el peso especfico del suelo.

La resistencia del suelo a las cargas aplicadas depende en gran medida de la capacidad de la zona C a oponerse al empuje de la zona B y al asentamiento de la zona A.

El esfuerzo admisible ser qc dividido por el factor de seguridad (FS), el cual es de 3 para la mayora de las normas vigentes y no debe ser menor que ese valor. qc tendr diferentes expresiones segn la geometra de la fundacin y el tipo de suelo.

Terzagui descubri que la falla general se produce en arcillas duras y arenas densas y el corte local se produce en arcillas sensibles o blandas y arenas sueltas.

Otras teoras: Skempton: dijo que Nc crece al aumentar la profundidad de la cimentacin, por lo que no siempre valdr 5.7 en suelos cohesivos ( = 0) como dice Terzagui sino que depender de la relacin D/B.

Meyerhof: toma en cuenta los esfuerzos cortantes desarrollados en el suelo arriba del nivel de desplante del cimiento, a diferencia de Terzagui que dice que es una sobrecarga permanente flexible.

FACTORES QUE AFECTAN LA CAPACIDAD PORTANTE DE UN SUELO Retraccin y expansin del suelo. Proximidad del nivel fretico. Defectos o fallas del subsuelo. Accin de heladas y deshielos. Erosin y corrosin en el suelo. Aplicacin de cargas inclinadas o excntricas. Proximidad de las bases a laderas. Excesiva cercana entre bases o en linderos. Licuefaccin por la accin de cargas dinmicas.

4. CIMENTACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS.4.1. CIMENTACIONES SUPERFICIALES: son aquellas fundaciones que se apoyan en toda o casi toda el rea de la base sobre el terreno, en un estrato no mayor de 5 m de profundidad, medido desde la cota superior del predio a construir, y donde el suelo ofrezca la suficiente capacidad portante para soportar las cargas impuestas por la superestructura, con moderados asentamientos.

Existe una amplia variedad de fundaciones superficiales: Aisladas: Resultan del ensanchamiento del extremo inferior de las columnas o pedestales en el plano de apoyo del suelo de modo de disminuir la magnitud de presiones de contacto con ste y asegurar la estabilidad de la superestructura. Continuas: se conocen como corridas y son las que transmiten al suelo de fundacin las cargas de los muros de concreto, las paredes de mampostera, o una fila de columnas alineadas prximas entre s. Combinadas: Son las que sirven de apoyo a dos columnas muy cercanas, evitando as la superposicin de sus bases aisladas. La forma y dimensiones de la planta debe adaptarse para que la resultante de sus cargas y momentos de las columnas coincida con el baricentro de la base, de modo de poder obtener una distribucin uniforme de presiones en toda el rea de contacto con el suelo. Conectadas: soportan cargas excntricamente aplicadas en las columnas, y al unirlas mediante tensores o vigas rgidas, se anula el efecto de volcamiento y se otorga estabilidad al conjunto. Placas de fundacin: son las que reciben las cargas de un grupo de columnas y muros. Se las utiliza cuando el rea en planta de las bases aisladas resulta prcticamente la misma que la superficie del terreno bajo la construccin. Presentan por lo general un espesor considerable y en algunos casos tienen nervios o vigas de entramado conectando las columnas y los muros, que cumplen la funcin de disminuir el espesor de las placas y aumentar la rigidez de la fundacin.

4.2. CIMENTACIONES PROFUNDAS: son cimentaciones que se utilizan cuando los estratos superficiales del suelo no son lo suficientemente resistentes para soportar las cargas impuestas por la superestructura, evitando los problemas de asentamientos locales excesivos y fallas del suelo por superar su capacidad portante.

Los pilotes son miembros estructurales de gran esbeltez, con seccin transversal circular o poligonal, que penetran en suelos de baja capacidad portante a fin de transmitir las cargas a niveles ms profundos del subsuelo.

Se clasifican en prefabricados y vaciados en sitio.