MECANICA DE SUELOS

MODULO III: INCREMENTOS DE ESFUERZOS Y CIMENTACIONES SUPERFICIALES3.2 Cimentaciones Superficiales

La capacidad de carga, que a menudo se llama estabilidad, es la capacidad del suelo para soportar una carga sin que se produzcan fallas dentro de su masa. Es anloga a la capacidad de una viga para soportar una carga sin romperse.La curva de carga-asentamiento pasa por un punto de mxima curvatura, que indica que se ha producido la falla de la masa del suelo. Se obtienen diferentes curvas de acuerdo con el carcter del suelo que se haya cargado.

Si se observa el suelo durante la aplicacin de la carga, por medio de un modelo de paredes de vidrio o haciendo una excavacin adyacente a una cimentacin de tamao natural, se ver que la falla se produce por lo general en tres etapas.

No se deducido una frmula matemtica exacta para analizar esta falla; sin embargo, se han desarrollado varios mtodos aproximados basados en una representacin simplificada de la compleja superficie de falla y de las propiedades del suelo.Anlisis de la capacidad de carga ltima (qu)Un anlisis simple y conservador fue deducido por Bell, ampliado por Terzaghi y ms tarde modificado por los dos autores.

Planos rectos de falla, supuestos y zonas prismticas de compresin triaxial o cortante debajo de una carga uniforme qo de ancho B. Se supone una cimentacin de ancho B y largo infinito, suelo cualquiera (c0 y 0), falla general, carga simtrica.

Bajo estas hiptesis y considerando la relacin: G1=G3N+2cN, Bell/Terzaghi encontraron que:

qu = 2B N + cNc + 1Df Nq Donde:

N, Nc y Nq: Factores de capacidad de carga, que dependen solo de .

Df : Profundidad de desplante.

Para el caso de falla local (arena suelta o arcilla sensible) se debern corregir c y con una factor de reduccin (2/3).

Cuando la cimentacin tiene una longitud limitada se producen esfuerzos cortantes en superficies que forman ngulo recto con las previamente descritas y los factores de capacidad de carga N y Nc cambian.

Forma de la cimentacinCorreccin NCorreccin Nc

Cuadrada0,851,25

Rectangular

L/B = 20,901,12

L/B = 50,951,05

Circular(*)0,701,20

(*) Sustituir el dimetro D por el ancho B

Si la carga no est aplicada concntricamente, el momento de volcamiento reduce la capacidad de carga. Segn Meyerhof, la cimentacin cargada excntricamente reacciona como si el ancho se hubiera reducido a B` = B 2e. Si hay excentricidad en dos direcciones, tanto el ancho como el largo, se reducen.Si la carga no es vertical la forma de distribucin del esfuerzo cortante se altera. La componente horizontal de la carga aumenta el esfuerzo lateral en la zona circundante, con la cual se ve disminuida la resistencia al esfuerzo lateral que genera la componente vertical. Meyerhof propone correcciones para calcular la mxima capacidad de carga correspondiente a la componente vertical de la carga.

Factor de capacidad de cargaDfInclinacin de la carga con respecto a la vertical

0102030

N010,50,20

NB10,60,40,25

Nc0 a B10,80,60,4

El anlisis mejorado por Meyerhof (1963), pero con los resultados expresados en la misma forma, se dan en la siguiente expresin:

qu = BN Fs Fd Fi + cNc Fcs Fcd Fci + Df Nq Fqs Fqd Fqi

Donde:

Fs, Fcs, Fqs = Factores de forma

Fd, Fcd, Fqd = Factores de profundidad

Fi, Fci, Fqi = Factores de inclinacin de la carga.

Factores de Forma, profundidad e inclinacin recomendados:

Factores de Forma

Fcs = 1 + (B Nq/L Nc)

Fqs = 1 + B/L tan

Fs = 1 0.4 B/L

Factores de Profundidad

Condicin (a): Df /B 1

Fcd = 1 + 0.4 Df/B

Fqd = 1+2 tan (1 - sen ) Df/B

Fd = 1Condicin (a): Df /B > 1

Fcd = 1 + (0.4) arc tan (Df/B)

Fqd = 1+2 tan (1 - sen ) arc tan (Df/B)

Fd = 1

Factores de Inclinacin:

Fcd = Fqi = (1 - /90)

Fi = (1 - /)

Factor de Seguridad (FS)

qadm = qu /FS

Tambin podemos expresar:

Incremento de carga ltima neta sobre el suelo = capacidad de carga ltima neta/FS

qneta (u) = qu q (capacidad de carga ltima neta)Asentamientosa) Asentamiento por compresin, se calcula usando el esfuerzo inicial promedio, el z; y, la curva e. Los asentamientos de todos los estratos compresibles se suman para obtener el H total.

Los esfuerzos efectivos iniciales aumentan en proporcin directa con la profundidad, no sucede as con los z .Considerar:

Se deber tomar los valores de e, conforme se indica en la figura:

Si se esta seguro que los esfuerzos exceden cualquier carga de preconsolidacin, se puede usar:

'o +

e = Cc log ( )

'o

El asentamiento para un estrato o subestrato, de espesor H, se determina:

H e

H =

1 + eo

El asentamiento por compresin es un proceso largo que requiere aos. Para estimar el H que se producir en un periodo de tiempo se puede hacer uso de las ecuaciones:

t ( 1 + eo ) k

U = f (T), T =

(H/N) av w

( 1 + eo) k t cv

Si cv = T =

av w (H/N)

b) Asentamiento por distorsin (o contacto), el suelo inmediatamente debajo de la cimentacin se deforma hacia abajo y se comba lateralmente en forma de barril, lo que permite que la cimentacin se asiente.

Las arcillas saturadas, muchas rocas y otros materiales elsticos se comportan como una masa de gelatina o goma, debido a que su E es casi constante, cualquiera que sea el esfuerzo de confinamiento. Si se aplica una presin q (kg/cm2), se dar el siguiente perfil:

Se esquina = 0.42qB / E ; Se centro = 0.84 q B / E

Hasta la profundidad z = 2B, el suelo tiene un volumen constante y es homogneo. En reas rectangulares cargadas se puede hallar haciendo B = A.

En suelos no cohesivos se observa:

E centro > E extremos; Se > en los bordes

Cuando mas ancha es el rea cargada, mas plana es la curva en el centro

Se producen presiones uniformes:

Tanques de petrleo con fondo metlico.

Grandes reas en grupos de columnas igualmente espaciadas.

La forma mas corriente de aplicar una carga a la superficie de3 un suelo o roca es a travs de un cimiento rgido. El producido por cargas rgidas sobre arcillas saturadas y suelos similares, cuyo E es homogneo, se puede calcular:

Se = 0.60 q B /E Cimiento Cuadrado

En otras formas de cimentacin: B = A

Se = 0.60 q A / E * A/A ; Se = 0.60 q A/ E A, luego:

Se = 0.60 Q/ E A

Esto indica que si el de un rea con una carga Q se quiere reducir a la mitad, el rea debe aumentarse cuatro veces. Para tener iguales en cimientos cuadrados con cargas totales diferentes, la q debe variar inversamente con relacin a las cargas totales:

q1/q2 = Q2/Q1

Pruebas de cargaEs esencialmente el ensayo en un modelo del cimiento. Si este ensayo se conduce apropiadamente y se interpreta correctamente, es una ayuda valiosa para un proyecto racional; pero como corrientemente se hace, es una prdida de tiempo y dinero, y a veces da una sensacin de seguridad que es falsa y peligrosa.

Las cargas se aplican en incrementos de de la presin estimada.

En arenas las cargas llegarn a 2 veces el valor de la presin estimada.

En arcillas las cargas llegarn a 2.5 veces el valor de la presin estimada.

El asentamiento se leer al 0.025 de mm.

Cada incremento se mantendr hasta que el asentamiento sea menor de 0.05 mm /hora. Logrado esto se aplicar un nuevo incremento.

El ltimo incremento se mantendr por lo menos 4 horas antes de darse por terminado el ensayo.

En un suelo cualquiera, hasta una profundidad igual a B:

qu (cimentacin) = qu (P)* B (F)/B (P)

Asentamiento por distorsin, para un suelo uniforme hasta una profundidad igual a 2B:

Se (F) = Se (P) BF/BP (Arcillas) Se (F) = Se (P) (BF/BP) ((3.28BP + 1)/(3.28BF + 1)) (Arenas)Para pruebas en arcilla, qu (F) = qu (P)

qu (F) = capacidad de carga ltima de la cimentacin propuesta

qu (P) = capacidad de carga ltima de la placa de prueba

Housel (1929) propuso un procedimiento diferente para determinar la capacidad de carga de cimentaciones superficiales basado en consideraciones de asentamiento similares:Q1 = A1 m + P1 n

(Placa N 1)

Q2 = A2 m + P2 n

(Placa N 2)Q = Am + P n

(Para la cimentacin)Donde, m y n son dos constantes que se determinan resolviendo las ecuaciones anteriores y corresponden a la presin de carga y al cortante perimetral. Q = Carga, Ai y Pi son las reas y los permetros de las placas N1 y N 2, respectivamente.