CONCEPTOS PRELIMINARESCapacidad portanteEn cimentaciones se denomina capacidad portante a la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él. Técnicamente la capacidad portante es la máxima presión media de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzcan un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto la capacidad portante admisible debe estar basada en uno de los siguientes criterios funcionales:Si la función del terreno de cimentación es soportar una determinada tensión independientemente de la deformación, la capacidad portante se denominará carga de hundimiento.Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensión aplicada al terreno y la deformación sufrida por éste, deberá calcularse la capacidad portante a partir de criterios de asiento admisible.De manera análoga, la expresión capacidad portante se utiliza en las demás ramas de la ingeniería para referir a la capacidad de una estructura para soportar las cargas aplicadas sobre la misma.

Capacidad de carga a corto y a largo plazoLas propiedades mecánicas de un terreno suelen diferir frente a cargas que varían (casi) instantáneamente y cargas cuasi permanentes. Esto se debe a que los terrenos son porosos, y estos poros pueden estar total o parcialmente saturados de agua. En general los terrenos se comportan de manera más rígida frente a cargas de variación cuasinstantánea ya que éstas aumentan la presión intersticial, sin producir el desalojo de una cantidad apreciable de agua. En cambio bajo cargas permanentes la diferencia de presión intersticial entre diferentes partes del terreno produce el drenaje de algunas zonas.

Capacidad portante a corto plazo o no-drenada. En este caso se puede tomar y se puede despreciar el peso del terreno, pero debe tomarse como cohesión como la resistencia al corte no drenada

Capacidad portante a largo plazo o drenada. En este caso se toma la cohesión como resistencia al corte drenado, y debe considerarse las variables como función del ángulo de rozamiento interno

CAPACIDAD PORTANTE DE LOS SUELOS

CAPACIDAD DE CARGA LIMITE (qd). Máxima presión que se puede aplicar a la cimentación, sin que ésta penetre en el suelo.

CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE (qadm). Es la carga límite dividida entre un factor de seguridad. A este esfuerzo se le llama capacidad portante.

Terzaghi recomienda que FS no sea menor que 3.

ESFUERZO NETO (q neta). Es el esfuerzo útil, que queda para la superestructura, después de quitarle el esfuerzo que va a utilizar el peso del relleno del suelo y la sobrecarga de piso:

q neto = qadm – γ * Df - sobrecarga de piso

Dónde:γ = peso específico Del rellenoDf = Profundidad de cimentaciónSobrecarga de piso = 500 kg/m2

PRESION DE CONTACTO (qc). Es producida por la carga muerta y viva de la superestructura, y actúa debajo de la zapata, en el encuentro zapata-suelo.En el diseño de cimentaciones, se busca que qc sea menor o igual aq neto

ECUACION DE MOHR-COULOMB.Mohr presentó en 1900, una teoría sobre la ruptura de materiales, según la cual, la falla de un suelo se presenta debido a la combinación crítica de esfuerzos verticales y horizontales.

EL ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Es un ensayo de cortante. Consiste en aplicar esfuerzos verticales y horizontales, a tres muestras de suelo, y determinar el instante el instante de falla a cortante

Diagrama de ruptura de Mohr.

TIPOS DE FALLA DE LOS SUELOS.

Los suelos fallan por cortante. Se han clasificado tres tipos de falla de los suelos, debajo de las cimentaciones:

FALLA POR CORTANTE GENERAL.

Es súbita y catastrófica. Es característico de las arenas compactas. El suelo se hincha a ambos lados de la cimentación.

FALLA POR PUNZONAMIENTOSe produce movimiento vertical de la cimentación, mediante la compresión del suelo debajo de ella. La rotura del suelo se produce por cortante alrededor de la cimentación. La superficie del suelo en torno al cimiento casi no se altera, por lo que no se observan movimientos previos a la rotura

FALLA POR CORTANTE LOCAL

Es un caso intermedio entre los casos 1 y 2.Se produce hinchamiento y asentamiento del suelo. Se forma una cuña debajo de la cimentación como en el caso 1, pero las superficies de la falla no son completas.

CAPACIDAD DE CARGA LIMITE (qd)Es una caracteristica de cada sistema de suelo y no solo una cualidad intrinseca del suelo. Los distintos de suelo difieren en capacidad de carga, pero tambien ocurre que en un suelo especifico dicha capacidad vaia con el tipo,forma tamaño y profundidad del elemento de ciemntacion que aplica la presion, puede ser determinado utilizandose una teoria en la cual se postula un mecanismo de falla y se determina la tension (qu) en terminos de la resistencia al corte del suelo movilizada en la falla y de la geometria del problema.El problema Consiste en encontrar el esfuerzo (qd) que produce la falla del suelo.

Se conocen los siguientes datos:Z = Df = Profundidad de desplante (m).B = Ancho de la cimentación (m).L = Longitud de la cimentación (m).Γ = Peso volumétrico del suelo (kg/m3).C = Cohesión del suelo (del ensayo de corte, kg/cm2)Ф =Angulo de fricción interna (Del ensayo de corte)La solución.-No es única. Varios investigadores han presentado soluciones pero nosotros resolveremos por TERZAGHI:

TEORIA DE TERZAGHI:El Dr. Terzaghi asume que el mecanismo de falla, está formado por bloques, que actúan como cuerpos rigidos, con movimientos diferentes.I- Cuña que se mueve como cuerpo rígido hacia abajo.II.- Zona de cortante radial de Prandtl, que empuja a la zona III y trata de levantarla. Asume que CD es arco de espiral logarítmica.III.- Zona de estado plástico pasivo de Rankine. Trata de resistir al levantamiento, con el peso del material de la misma.

Fig. 6.1. Mecanismo de falla, según Terzaghi. Las zonas II y III Ocurren a ambos lados de la zona I.

La ECUACION DE TERZAGHI

Nc, Nq, Nγ, se llaman, factores de capacidad de carga, debido a la cohesión, sobrecarga y al peso del suelo. Sus expresiones

Nc, Nq, Nγ, se llaman, factores de capacidad de carga, debido a la cohesión, sobrecarga y al peso del suelo. Sus expresiones

Para N”c, N””q, N” Y las expresiones son las mismas, pero hay que cambiar φ por φ” un ángulo tal que:

Los factores Nc, Nq,Nγy, N’c,N’q, N’y, se han graficado en función del ángulo de fricción interna del suelo (φ):

Cuando la falla es por corte general (N del SPT mayor o igual a 15):

Cuando la falla es por corte local, o punzonamiento (N del SPT MENOR A15):

Dónde:qd = Capacidad de carga limite en kg/m2.c= cohesión del suelo en kg. /m2.Z= profundidad de desplante de la cimentación en m.B= ancho de la zapata (o dimensión menor de la zapata rectangular)en m.γ= peso unitario del suelo en kg/m3Nc, Nq, Nγ = factores de capacidad de carga. Se obtienen de la figura siguiente. Dependen solo del ángulo de fricción interna ф.c’,= (2/3)*c.Por ejemplo: Cuando ф=27.5º.De la gráfica obtenemos:

ZAPATA CUADRADA O RECTANGULAR

Falla por corte general.

qd = 1.3cN c + ZN d + 0.4BN .................… (B.1)

Corte local o punzonamiento.

Siendo la nomenclatura la misma del caso anterior

FORMULA BASICA DE TERZHAGUI Y MEYERHOF

FORMULA BASICA DE TERZHAGUI qu=CNc+qNq+(1/2) BNϒ ϒ

=DENSIDAD SECA DE CAMPOϒC=COHESIONCNc, Nq, N =FACTORES DE CARGA ADIMENCIONALESϒ

B= ANCHO DE ZAPATA

Nq=tan2(45+φ/2)eπtanφ

Nc=(Nq+1)cotφ

N =2(Nq+1)tanφϒ

q= ϒh(Df)ϒh= peso especifico seco

La tabla muestra la variacion de los factores de capacidad de carga procedentes con los amgulos de friccion del suelo.

La capacidad de carga admisible en una cimentacion es aquella que puede aplicarse sin producir desperfectos en la estructura teniendo un margen de seguridad dado por el coeficiente de seguridadLa capacidad de carga depende del tipo de suelo (gravas, arenas, arcillas o combinaciones de ella), de las caracteristicas de cimentacion y de la estructura y del coeficiente de seguridad adoptado.La teoria de terzaghi es uno de los primeros esfuerzos por adaptar a la mecanica de suelos los resultados de la mecanica del medio continuo. La teoria de terzaghi cubre el caso mas general de suelos con “cohesion”y “friccion”y su impacto en la mecanica de suelos ha sido de tal trascendencia que aun hoy es posiblemente la teoria mas usada para el calculo de capacidad de carga de los suelos en proyectos practicos. Especialmente en el caso de cimientos poco profundos.Es importante que la cimentacion se apoye en suelos que no esten sujetos cambios fuertes en su volumen por variacion de la humedad (suelos colapsables, expansivas, cohesivas, etc) de forma de no generar asentamientos no previstos.