01. Lectura Semanas 2

8/10/2019 01. Lectura Semanas 2

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C PÍTULO

CU TRO

CIMENTACIONES

SUPERFICIALES: CAPACIDAD

DE CARGA Y ASENTAMIENTO

ADMISIBLES

4 1 INTRODUCCION

n el capítulo 3 se mencionó que, en muchos casos, e l asentamiento de una cimenta-

ción superficial gobierna la capacidad de carga admisible, la cual

es

regida por los re-

glamentos locales de construcción. Así entonces, la capacidad de carga admisible

será

l menor de las siguientes dos condiciones:

l

u

FS

q dm =

o

sentamiento admisible

El asentamiento de una cimentación se divide en dos categorías principales: a) asen-

tamiento elástico o inmediato y b) asentamiento por consolidación. El inmediato o

elástico de una cimentación tiene lugar durante o inmediatamente después de la cons-

trucción de la estructura. El asentamiento por consolidación ocurre a lo largo del tiem-

po. El agua de los poros es expulsada de los espacios vacíos de los suelos arcillosos

saturados sumergidos en agua. El asentamiento total de una cimentación

es

la suma de

los asentamientos elásticos y por consolidación.

El asentamiento por consolidación comprende dos fases:

primaria

y secundaria

Los aspectos básicos de la consolidación primaria fueron explicados en detalle

en

el

capítulo

l

El asentamiento por consolidación secundaria ocurre después que terminó l

consolidación primaria y es causado por deslizamiento y reorientación de las partículas

del suelo bajo carga sostenida. El asentamiento por consolidación primaria

es

más impor-

tante que el asentamiento por consolidación secundaria

en

suelos arcillosos y limosos

inorgánicos. Sin embargo,

en

suelos orgánicos, el asentamiento por consolidación secun-

daria

es

más importante.

Para el cálculo de asentamientos de cimentaciones elástico y por consolidación) se

requiere estimar el incremento

en

esfuerzo vertical

en

l masa del suelo debido a la

2 9



220

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de carga y asentamiento admisibles

carga neta aplicada sobre la cimentación. Por tanto, este capítulo

se

divide

en

cuatro

partes, que son:

l Procedimiento para el cálculo del incremento del esfuerzo vertical

2. Cálculo del asentamiento elástico y por consolidación)

3. Capacidad de carga admisible basada

en

el asentamiento elástico

4.

Cimentaciones con suelo reforzado.

INCREMENTO

DEL

ESFUERZO VERTIC L

EN UN

M S DE SUELO C US DO POR

C RG

DE LA

CIMENT CIÓN

4 2 ESFUERZO DEBIDO UN C RG CONCENTR D

n

1885, Boussinesq desarrolló las relaciones matemáticas para la determinación de

los

esfuerzos normal

y

de corte

en

un punto cualquiera dentro de medios homogéneos elás-

ticos

e

isotrópicos

debido a una

carga

puntual

concentrada

localizada

en

la

superficie, co-

mo muestra la figura 4.1. De acuerdo con su análisis, el incremento del

esfuerzo vertical

11p) en

el punto

A

figura 4.1) causado por la carga puntual de magnitudP

es

P= [ r)z] 5/2

rz

1

3P

\ 1

y

\ 1

\ 1

\ 1

\lA

f

x, y

z)

z

p

T

FIGURA

4 1

Esfuerzo

vertical en un punto,

A,

causado por una

carga puntual sobre la

superficie

4.1)



4.3 Esfuerzo

debido

a un

área cargada circularmente 22

donde

r

=

Vx

2

y

2

x y z

= coordenadas del puntoA

Note que la ecuación 4.1) no es una función de la relación de Poisson del suelo.

_

4 3 ESFUERZO

DE IDO

A

UN

AREA CARGADA

CIRCULARMENTE

La ecuación de mssinesq [ec. 4.1)] también se usa para determinar el esfuerzo ver-

tical bajo el centro de una superficie flexible cargada circularmente, como muestra la

figura 4.2. Sea B/2 el radio de la superficie cargada y q la carga uniformemente dis-

tribuida por unidad de área. Para determinar el incremento de esfuerzo en un punto

A, localizado a una profundidad z bajo el centro de la superficie circular, considere un

área elemental sobre el círculo, como muestra

la

figura 4.2. La carga sobre

esta

área

elemental puede considerarse como carga puntual y expresarse comoq

0

r d )dr. El in-

cremento del esfuerzo

en

el puntoA causado por

esta

carga puede determinarse con

la ecuación 4.1):

p =

3 q

0

rd )dr)

[

y 2]5/2

27Tz

2

1

;

A

A

: .p : .p

T

FIGUR

4 2 Incremento de la presión bajo una

superficie flexible circular cargada

uniformemente

4.2)



222

CAPÍTULO CUATRO

Cimentaciones

superficiales: Capacidad de carga y asentamiento admisibles

El incremento total del esfuerzo causado por toda l superficie cargada entonces

se

ob-

tiene por integración de la ecuación (4.2), o

~ p = f d p = f 9 = 2 T

fr=B 2

3 q

0

rd }dr)

= o r= o [ (r )2]5/2

2 Tz

2

1

z

·+-

[ 1 • ( ~ ) ' ] '

l

(4.3)

Integraciones similares

se

efectúan para obtener el incremento del esfuerzo verti-

cal

en A

localizado a una distanciar desde el centro de la superficie cargada a una pro-

fundidad z (Ahlvin y Ulery, 1962). La tabla 4.1 da la variación de

NJ q

0

con r/ B/2) y

z/ B/2) [para O

s;

r/ B/2)

s;

1]. Note que la variación de

t,.p/qo

con la profundidad a

r/ B/2) = Ose obtiene con la ecuación (4.3).

,

4 4

ESFUERZO DEB JO DE UN RE RECT NGUL R

El procedimiento de integración de la ecuación de Boussinesq también permite la eva-

luación del esfuerzo vertical en cualquier punto

A

debajo de una esquina de una super-

ficie flexible rectangular cargada (figura 4.3). Para esto, considere un área elemental

Y T BL 4 1 Variación de ¡).p/qo para una superficie

flexible circular cargada uniformemente

r/ B/2)

z/(B/2) O 0 2 0 4 0.6 0 8 1 0

o 1.000

1.000

1.000 1.000 1.000 1.000

0.1 0.999

0.999 0.998

0.996 0.976 0.484

0.2 0.992

0.991

0.987 0.970 0.890 0.468

0.3 0.976

0.973 0.963

0.922 0.793 0.451

0.4 0.949

0.943 0.920

0.860 0.712 0.435

0.5

0.911

0.902 0.869

0.796 0.646 0.417

0.6 0.864

0.852 0.814

0.732 0.591 0.400

0.7 0.811

0.798 0.756

0.674 0.545

0.367

0.8 0.756

0.743 0.699

0.619 0.504 0.366

0.9

0.701 0.688 0.644

0.570 0.467 0.348

1.0 0.646

0.633

0.591 0.525 0.434 0.332

1.2 0.546

0.535 0.501

0.447 0.377 0.300

1.5

0.424 0.416 0.392

0.355 0.308 0.256

2.0 0.286 0.286 0.268 0.248 0.224 0.196

2.5

0.200

0.197

0.191 0.180

0.167 0.151

3.0 0.146

0.145

0.141 0.135

0.127 0.118

4.0 0.087

0.086 0.085

0.082

o o¿¡o

0.075



4 4

Esfuerzo debajo de un área rectangular 3

X

..... _

L - - - - - - ' 1

1

1

1

1

1

1

z

1

1

1

1

1

A

V

FIGUR 4.3

Determinación del esfuerzo debajo de una esquina

de una superficie flexible rectangular cargada

dA = dx dy

sobre

la

superficie

cargad< .

Si

la

carga por unidad de área es

q '

la carga to

tal sobre el área elemental es

4.4)

Esta carga elemental,

dP

debe tratarse como una carga puntual. El incremento del es

fuerzo vertical en el punto

A

causado por

dP

se evalúa usando la ecuación 4.1). Sin

embargo, note la necesidad de sustituir d = q

0

dx dy porP y x

2

+ y

2

por r

2

en la ecua

ción 4.1). Entonces

. 3qo dx

dy)

z

3

Elmcremento del esfuerzo en A causado por dP =

2 2

2

)

512

27T

X

y +

Z

El incremento total del esfuerzo causado por el área total cargada en el punto

A

se ob

tiene ahora integrando la ecuación anterior:

4.5)

donde .lp

=

incremento del esfuerzo en A

. . 1 2mnVm

2

+n

2

+1 m

2

n

2

2

I

=factor

de mfluenc1a =

4

2 · 2 2 2

1·

2 2

1

T m n m n

m n

(4.6)



4

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de carga

y

asentamiento admisibles

Cuando

m

y

n

son pequeños, el argumento de tan-

1

es

negativo. En ese caso,

. . 1 [

2mn

V

m

2

+

n

2

+ 1

m

2

+

n

2

+ 2

I =factor de mfluencta =

4

2 2 2 2

1

·

2

2 1

1 T m n m n m n

(4.6a)

4.7)

4.8)

Las variaciones de los valores de influencia con m y n se dan en la tabla 4.2. Por con

veniencia, éstos también están graficados en la figura 4.4.

T BL 4 2 Variación del

valor

de influencia, ec. (4.6)]•

'

cf til

~ . l l l

G . ~

6.4

I D.6

Q.íl

6.8

G . ~ O ~ . # :

,,

'

3

,,

0.1 0.00470

0.00917 0.01323 0.01678 0.01978 0.02223 0.02420 0.02576

0.02698 0.02794 0.02926 0.03007

0.2 0.00917

0.01790 0.02585 0.03280 0.03866 0.04348 0.04735 0.05042 0.05283

0.05471 0.05733 0.05894

0.3 0.01323

0.02585 0.03735 0.04742 0.05593 0.06294 0.06858 0.07308

0.07661 0.07938 0.08323 0.08561

0.4 0.01678

0.03280 0.04742

0.06024

0.07111 0.08009 0.08734 0.09314 0.09770

0.10129 0.10631 0.10941

0.5 0.01978

0.03866 0.05593 0.07111 0.08403 0.09473 0.10340 0.11035

0.11584 0.12018 0.12626 0.13003

0.6 0.02223 0.04348

0.06294 0.08009 0.09473 0.10688 0.11679

0.12474 0.13105 0.13605 0.14309 0.14749

0.7 0.02420 0.04735

0.06858 0.08734 0.10340 0.11679 0.12772 0.13653

0.14356 0.14914 0.15703 0.16199

0.8 0.02576 0.05042 0.07308 0.09314 0.11035 0.12474 0.13653 0.14607 0.15371 0.15978 0.16843 0.17389

0.9 0.02698 0.05283

0.07661 0.09770 0.11584 0.13105 0.14356 0.15371

0.16185 0.16835 0.17766 0.18357

1.0 0.02794 0.05471

0.07938 0.10129 0.12018 0.13605 0.14914 0.15978

0.16835 0.17522 0.18508 0.19139

1.2 0.02926 0.05733

0.08323 0.10631 0.12626 0.14309 0.15703 0.16843

0.17766 0.18508 0.19584 0.20278

1.4 0.03007 0.05894 0.08561 0.10941 0.13003 0.14749 0.16199 0.17389

0.18357 0.19139 0.20278 0.21020

1.6 0.03058 0.05994

0.08709 0.11135 0.13241 0.15028 0.16515 0.17739

0.18737 0.19546 0.20731 0.21510

1.8 0.03090 0.06058

0.08804 0.11260 0.13395 0.15207 0.16720

0.17967 0.18986 0.19814 0.21032 0.21836

2.0 0.03111

0.06100 0.08867

0.11342

0.13496 0.15326 0.16856 0.18119

0.19152 0.19994 0.21235 0.22058

2.5 0.03138

0.06155 0.08948

0.11450

0.13628 0.15483 0.17036

0.18321 0.19375 0.20236 0.21512 0.22364

3.0 0.03150

0.06178 0.08982

0.11495

0.13684 0.15550 0.17113

0.18407 0.19470 0.20341 0.21633 0.22499

4.0 0.03158

0.06194 0.09007

0.11527

0.13724 0.15598 0.17168

0.18469 0.19540 0.20417 0.21722 0.22600

5.0 0.03160

0.06199 0.09014

0.11537

0.13737 0.15612 0.17185

0.18488 0.19561 0.20440 0.21749 0.22632

6.0 0.03161 0.06201

0.09017

0.11541

0.13741 0.15617 0.17191

0.18496 0.19569 0.20449 0.21760 0.22644

8.0 0.03162 0.06202

0.09018

0.11543

0.13744 0.15621 0.17195

0.18500 0.19574 0.20455 0.21767 0.22652

10.0 0.03612 0.06202 0.09019 0.11544 0.13745 0.15622 0.17196 0.18502 0.19576 0.20457 0.21769 0.22654

0.03162

0.06202 0.09019

0.11544

0.13745 0.15623 0.17197

0.18502 0.19577 0.20458

0.21770

0.22656

a Según Newmark (1935)



4 4 Esfuerzo debajo

de

un

área rectangular

5

El incremento del esfuerzo en cualquier punto debajo de una superficie rectangu

lar cargada también

se

encuentra usando la ecuación (4.5) junto con la figura 4.5. Para

determinar el esfuerzo a la profundidad z debajo del punto

O,

divida la superficie car

gada en cuatro rectángulos. El punto

O

es la esquina común a cada rectángulo, luego

use la ecuación (4.5) para calcular el incremento del esfuerzo a la profundidad z debajo

del punto

O

causado por cada superficie rectangular. El incremento total del esfuerzo

causado por toda la superficie cargada

se

expresa ahora como

4.9)

donde h 1

2

/

3

e /

4

= valores de influencia de los rectángulos 1, 2, 3 y 4, respectiva

mente.

En la mayoría de los casos, el esfuerzo vertical debajo del centro de una superficie

rectangular

es de importancia, y

se

da por la siguiente relación:

(4.10)

TABLA 4 2 (Continuación)

~ ~ : t : f M * \ < 1 '

1

'

: 1 ~ : 1

~ : ~

li hríiP""''"' ,

, ~ o , ~

, : ~ " ' ' " '"" ' '4 ' ' Z:Jl l , , , ,o :A ' ~ ' " ' " "

m

'

f J t ~ ~ ; t § t J ~ ~ ' Z : Q J : "

1

• ; L ~ ~ ~ ~ f 0 " ' " ' ~ ~ . u ~ : ~ i ~ ' ~ _ , \ ] ) i * ~

•

0 1 ' ~ : \ i l

~ " ~

~ * : \ i i i u; u i i = ~ w ~ ~ : V l :

0

: ¡ ~ : ; \ 1

-

1 D i f ~ t & b 7

0.1 0.03058 0.03090 0.03111 0.03138 0.03150 0.03158 0.03160 0.03161 0.03162 0.03162 0.03162

0.2 0.05994 0.06058 0.06100 0.06155 0.06178 0.06194 0.06199 0.06201 0.06202 0.06202 0.06202

0.3 0.08709 0.08804 0.08867 0.08948 0.08982 0.09007 0.09014 0.09017 0.09018 0.09019 0.09019

0.4 0.11135 0.11260 0.11342 0.11450 0.11495 0.11527 0.11537 0.11541 0.11543 0.11544 0.11544

0.5 0.13241 0.13395 0.13496 0.13628 0.13684 0.13724 0.13737

0.13741

0.13744 0.13745 0.13745

0.6 0.15028 0.15207 0.15236 0.15483 0.15550 0.15598 0.15612 0.15617 0.15621 0.15622 0.15623

0.7 0.16515 0.16720 0.16856 0.17036

0.17113

0.17168 0.17185 0.17191 0.17195 0.17196 0.17197

0.8 0.17739 0.17967 0.18119 0.18321 0.18407 0.18469 0.18488 0.18496 0.18500 0.18502 0.18502

0.9 0.18737 0.18986 0.19152 0.19375 0.19470 0.19540 0.19561 0.19569 0.19574 0.19576 0.19577

1.0 0.19546 0.19814 0.19994 0.20236 0.20341 0.20417 0.20440 0.20449 0.20455 0.20457 0.20458

1.2 0.20731 0.21032 0.21235 0.21512 0.21633 0.21722 0.21749 0.21760 0.21767 0.21769 0.21770

1.4 0.21510 0.21836 0.22058 0.22364 0.22499 0.22600 0.22632 0.22644 0.22652 0.22654 0.22656

1.6 0.22025 0.22372 0.22610 0.22940 0.23088 0.23200 0.23236 0.23249 0.23258 0.23261 0.23263

1.8 0.22372 0.22736 0.22986 0.23334 0.23495 0.23617 0.23656 0.23671 0.23681 0.23684 0.23686

2.0 0.22610 0.22986 0.23247 0.23614 0.23782 0.23912 0.23954 0.23970 0.23981 0.23985 0.23987

2.5 0.22940 0.23334 0.23614 0.24010 0.24196 0.24344 0.24392 0.24412 0.24425 0.24429 0.24432

3.0 0.23088 0.23495 0.23782 0.24196 0.24394 0.24554 0.24608 0.24630 0.24646 0.24650 0.24654

4.0 0.23200 0.23617 0.23912 0.24344 0.24554 0.24729 0.24791 0.24817 0.24836 0.24842 0.24846

5.0 0.23236 0.23656 0.23954 0.24392 0.24608 0.24791 0.24857 0.24885 0.24907 0.24914 0.24919

6.0 0.23249 0.23671 0.23970 0.24412 0.24630 0.24817 0.24885 0.24916 0.24939 0.24946 0.24952

8.0 0.23258 0.23681 0.23981 0.24425 0.24646 0.24836 0.24907 0.24939 0.24964 0.24973 0.24980

10.0 0.23261 0.23684 0.23985 0.24429 0.24650 0.24842 0.24914 0.24946 0.24973 0.24981 0.24989

00 0.23263 0.23686 0.23987 0.24432 0.24654 0.24846 0.24919 0.24952 0.24980 0.24989 0.25000



6

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de carga asentamiento admisibles

Valor de

influencia,

0.26

0.24

0.22

0.20

0.18

0.16

0.14

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

o

10.0

n

2.0

1.8

00

1.4

1.2

l O

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

n

0.1

l

O

FIGUR

4.4 Variación de I con m y n ecs. 4.5), 4.6) y 4.6a)

0 1



4.4

Esfuerzo debajo

de

un área rectangular 7

: 0

----------to-----------------

t ~

_2

___

ij

_

_______

- - - L ~ - - + - - - - L 2 - - - - - J ~ I

FIGUR 4 5 Esfuerzo debajo de cualquier punto de una

superficie flexible rectangular cargada

donde

l

[ m

1

n

1

1 + m1 + 2n1 ]

1

m

1

sen-

7T

v1+mi+n1

(1+nD(m +n1)

vm1+n v1+n1

La variación de

l

con m

1

y n

1

se da en la tabla 4.3.

(4.11)

(4.12)

(4.13)

T BL 4 3 Variación

de

f con

m

1

y n

1

m

--------------------------------------------------------------------

l n, 1 2 3 4 :5 6 7 8 9 10

0.20 0.994 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997

0.40 0.960

0.976 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977 0.977

0.60

0.892 0.932 0.936 0.936 0.937 0.937 0.937 0.937

0.937

0.937

0.80

0.800 0.870 0.878 0.880 0.881 0.881 0.881 0.881 0.881 0.881

1.00

0.701 0.800 0.814

0,817

0.818 0.818 0.818

0.818 0.818 0.818

1.20

0.606 0.727 0.748 0.753 0.754 0.755

0.755 0.755

0.755

0.755

1.40 0.522

0.658 0.685 0.692 0.694 0.695 0.695

0.696 0.696 0.696

1.60

0.449 0.593 0.627 0.636 0.639 0.640 0.641 0.641 0.641

0.642

1.80 0.388

0.534 0.573 0.585 0.590 0.591 0.592 0.592

0.593 0.593

2.00 0.336

0.481 0.525 0.540 0.545

0.547

0.548

0.549 0.549 0.549

3.00 0.179

0.293 0.348 0.373 0.384

0.389

0.392 0.393

0.394 0.395

4.00

0.108 0.190

0.241

0.269 0.285 0.293 0.298 0.301

0.302 0.303

5.00 0.072

0.131

0.174

0.202 0.219 0.229 0.236 0.240

0.242 0.244

6.00 0.051 0.095

0.130 0.155 0.172 0.184 0.192

0.197 0.200 0.202

7.00 0.038 0.072

0.100

0.122

0.139

0.150

0.158 0.164

0.168 0.171

8.00 0.029 0.056

0.079

0.098

0.113 0.125 0.133

0.139 0.144 0.147

9.00

0.023 0.045

0.064

0.081

0.094

0.105

0.113

0.119 0.124 0.128

10.00

0.019 0.037

0.053 0.067 0.079

0.089

0.097

0.103 0.108

0.112



8

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de carga y

sent miento

admisibles

2 vertical a

1 horizontal

A p

~ - - - - - - - - - - - - - - - - - B z - - - - - - - - - - - - - - - - ~ ~

~ FIGUR 4 6 Método 2:1 para encontrar el incremento de esfuerzo

debajo

de

una cimentación

Los ingenieros en cimentaciones usan a menudo un método aproximado para de-

terminar el incremento del esfuerzo con la profundidad causado por la construcción

de una cimentación, denominado

método 2:1

figura 4.6). De acuerdo con éste , el incre-

mento del esfuerzo a la profundidad

z

es

~ _ q X B X

- B z) L

z)

4.14)

Note que

la

ecuación 4.14)

se

basa

en la

hipótesis de que el esfuerzo

se

difunde des-

de la cimentación a lo largo de líneas con una pendiente de

2

vertical

a

horizontal

~ J MPLO

4 1

Una superficie flexible rectangular mide 5 pies X 10 pies en planta y soporta una carga

de 2000 lb/pies

2

•

Determine el incremento del esfuerzo vertical debido a la carga a una

profundidad de 12.5 pies debajo del centro de la superficie rectangular.

Solución Refiérase a la figura 4.5. Para

este

caso

B

1

= ~ 2.5 pies

2

L¡

= =

10

= 5 pies

2



4.5 Incremento

del

esfuerzo vertica l

promedio debido

a

un área cargada rectangularmente

9

De las ecuaciones

4. 7 y

4.8)

m=B1=Bz= 2.5

=

2

z z 12.5 .

n

=

L¡

=

Lz= _5_

=O 4

z z

12.5 .

De la tabla 4.2, para m = 0.2 y n = 0.4, el valor de I = 0.0328. Entonces

J.p

=

q. 41)

= 2000) 4) 0.0328) =

262 4lb/pies

2

olución alternativa

De la ecuación 4.10)

De la tabla 4.3, para m

1

=

2 y n

1

=

5, el valor de

le =

0.131. Entonces

J.p

=

2000) 0.131)

= 262lb/pies

2

4 5 INCREMENTO DEL ESFUERZO VERTICAL PROMEDIO

,

DEBIDO A

UN

AREA CARGADA RECTANGULARMENTE

En

la sección 4.4, el incremento del esfuerzo vertical debajo de una esquina de una

superficie rectangular cargada uniformemente fue dado por figura 4.7

J.p

= q I

En

muchos casos se requiere determinar el incremento promedio del esfuerzo

/:lpprom•

debajo de una esquina de una superficie rectangular cargada uniformemente con lími-

tes dez =O

az

=

H

como muestra la figura 4.7.

Esto

se evalúa como

1 JH

J.Pprom =

H

0

q.l)

z =

qola

4.15)



23

CAPÍTULO CUATRO imentaciones superficiales: apacidad de

carga

y asentamiento admisibles

q

/área unitaria

,.,,,,f,, l,,.,J,J,

J.,,l,,l ·

1

1

Sección :

de una 1

1

superficie :

cargada 1

1

1

1

Planta de

superficie

cargada

•A

z

a)

b)

\ L l P p r o ~

1

_ldz

H

t

1

1

_

z

e)

~ I G U R 4 7

Incremento del esfuerzo promedio vertical debido

a una superficie flexible rectangular cargada

donde

la= f m,

n

m=II

H

L

n

H

lP

4.16)

4.17)

4.18)

La variación de la se muestra en la figura 4.8, según propuesta de Griffiths 1984).

En la estimación del asentamiento bajo una cimentación, se requiere dete rminar el

incremento promedio del esfuerzo vertical

en

sólo una capa dada;

es

decir, entre z =

H y z

=

H

2

, como mues tra la figura 4.9. Según Griffiths 1984),

4.19)



4.5 Incremento del esfuerzo vertical promedio debido a un área cargada

rectangularmente

23

fa

0.26

0.24

0.22

0.20

0.18

0.16

0.14

0.12

0.10

0.08

0.06

vv

t:=-::::

~

r =v

.._-

~

/

vf--

.._-

. .....

0

/

/ ¡ .

~

/

/

.......

/

~

/

/_

_ ...... .....

W

...--

_

-----

.04

0.02

0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.6 0.8

l

O

m

' FIGUR 4 8 Factor de influencia

la

de Griffiths

qofárea

unitaria

2

n=oo

2.0

l O

0.8

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

3 4 5 6 7 8

910

~ ~ . ~ p

z

A

_ ]

1

z

B

Planta

L

A

A

l

' FIGUR 4 9 Incremento promedio de presión entre

z

= H

1

y

z

=H

abajo de la

esquina de una superficie rectangular uniformemente cargada



3

CAPÍTULO CUATRO

Cimentaciones

superficiales: Capacidad de carga

y


donde

p

incremento promedio del esfuerzo inmediatamente

deba ·o

de

l prom H2fH¡)

una esquina de una superficie rectangular cargada uniforme-

mente entre las profundidades z H

1

y

z z

Ia H¡)

l

para

z Oa z H

1

t m fJ n ~

Y EJEMPLO

4 2

Refiérase a la figura 4.10. Determine el incremento

promedio

del esfuerzo bajo el cen

tro de la superficie cargada de

z 3 m a z 5 m es decir, entre los puntos A

y

A ).

Solución: Refiérase a la figura 4.10. La superficie cargada se divide

en

cuatro super

ficies rectangulares, cada una de 1.5 m X 1.5 m LX

B).

Usando la ecuación 4.19), el

incremento promedio del esfuerzo entre las profundidades requeridas) bajo la esqui

na de cada superficie rectangular

se

expresa como

q

100 kNjm2

~ - - - - 3 m .1

FIGURA4.10



4.6 Incremento

del

esfuerzo

bajo

un

terraplén

33

Para Ia<Hzl:

m

=

;2

= 55 = 0.3

n

= = 55 = 0.3

Con referencia a la figura 4.8, para

m

= 0.3

y

n

= 0.3,

Ia<Hzl

= 0.136.

Parala<H¡l:

m = I = 35 = 0.5

n = =

35

= 0.5

Con referencia a la figura 4.8,

L H¡l

= 0.175, por lo que

[

5) 0.136) - 3) 0.175)]

11Pprom(H

2

1

) = 100

5

_

3

= 7 75 kN/m

El incremento del esfuerzo entrez

=3m

y z = 5 m bajo el centro de la superficie car

gada es igual a

411Pprom(Hz/H¡) = 4) 7.75) = 31 kN/m

4 6

INCREMENTO DEL ESFUERZO BAJO UN TERRAPLEN

La figura 4.11 muestra la sección transversal de un terraplén de altura H Para esta

condición bidimensional de carga, el incremento del esfuerzo vertical se expresa como

donde

qo

=

yH

r= peso específico del suelo del terraplén

H = altura del terraplén

a radianes)= tan-

1

B

1

;

B

2

- t a n -

~ ~ )

= tan-

1

~ ~ )

4.20)

4.21)

4.22)

Para una derivación detallada de la ecuación, véase Das 1997). Una forma simplifica

da de la ecuación 4.20) es

1p

=

qoJ

4.23)

donde

/

= una función de

Bdz

y

Bzlz



34 CAPÍTULO CUATRO Cimentac iones superficiales: Capacidad de carga y

asentamiento

admisibles

I · ~ - - B 2 - - - - t - - - - B ~ - - - - l

H

Y FIGURA 4 11 Carga del terraplén

La variación del conB

z

y

B

2

z se muestra en la figura 4.12. La aplicación de este dia-

grama se ilustra en el ejemplo 4.3.

Y

EJEMPLO4 3

En la figura 4.13a

se

muestra

un

terraplén. Determine el incremento de esfuerzo bajo

el terraplén

en

los puntos A

1

y

A

2

•

Solución:

yH = 17.5) 7) = 122.5 kN/m

2

Incremento del esfuerzo n A

El lado izquierdo de

la

figura 4.13b indica que B

1

= 2.5 m y

2

= 14m, por lo que

= 55 = 0.5

= = 2.8

De acuerdo con la figura 4.12, para este

caso, '=

0.445. Como los dos lados

en

la fi-

gura 4.13b son simétricos, el valor del para el lado derecho también será de 0.445, por

lo

que

/:l.p

=

/:l p¡

+ f 1Pz = Qo[I'(ladoizquierdo)

+[ ' ( lado

derecho)]

= 122.5[0.445 0.445] =

109 03

kN/m

2



4.6 Incremento del esfuerzo bajo un terraplén 35

0.50

_< A

2

l.IJ·

1--

......... ::::

0.45

0.40

0.35

0.30

I 0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

o

0.01

1 -

>

-

-

¡..-

_.¡.....-

-

·T.4-

-l.2::..-

f-

·1 o -

¡....-

n a -

........

O R. ....

/

_(l

7

.....

V

,¡:;

/

¡.....::u.5

7

/

. /

_fl

,/

V

/

/

./

I Í

/

/

0.2

7

·o.

p

/

-IV;

fl

/

1 /

0.1

¡..-

:.. ......... :::

¡...

/ /

v

/ /

1// /

/

/ /

/

1

/

/

11

1/

/

/

V

11

/

/

1/

J

/

J

7

/

7

17

l.

O

V FIGURA 4.12 Valor de influencia I para la carga del terraplén según

Osterberg, 1957)

/ ':

/

/

/

/

J

/

1

-

V

/

/

LlL

/

lO



36

CAPÍTULO

CUATRO

Cimentaciones superficiales: Capacidad de carga y asentamiento admisibles

f -5

m-1

q =

(2.5

m

X

(17.5

_ kN m

3

)= +

t i

3.75kN/m

2

5m 1

1 i ~ P ( I )

A

T

FIGURA

4 13

+

qo = qo =

122.5 122.5

kN/m

2

kN/m

2

T

5m

~ P o l

A¡

b)

• 4 m ~ ~

q =

7m)

X

(17.5

kN/m

3

)

=

122.5

~ ~ L ~ L J L ~ L J L ~ L ~ L ~



4.7 Incremento

del

esfuerzo

debido

a

cualquier

tipo

de carga

37

Incremento del esfuerzo

en

A

2

Refiérase a la figura 4.13c. Para el lado izquierdo,

B

2

= 5 m

y

B

1

=

O

por lo que

B2 §

1

z 5

De acuerdo con la figura 4.12, para esos valores de B

2

z y Bdz

' = 0.25, por lo que

11p

=

43. 75 0.25)

=

10.94 kN/m

2

Para la sección media,

= : =

2.8

= =

2.8

Entonces,/ 0.495, por lo que

11P

2

=

0.495 122.5)

=

60.64 kN/m

2

Para el lado derecho,

1.8

B¡

=

Q

=O

z

5

e

1

0.335, por lo que

11p

3

78.75) 0.335) 26.38 kN/m

2

El incremento total del esfuerzo

en

el punto

A

2

es

1p

=

11P

+

11P

2

- 11p

3

= 10.94

+

60.64 - 26.38 = 45.2 kN/m

2

4 7 INCREMENTO DEL ESFUERZO DEBIDO A CUALQUIER

TIPO DE

CARGA

El incremento de esfuerzo vertical bajo cualquier tipo de superficie flexible cargada es

fácilmente determinado con el uso de la

carta

de

influencia

de Newmark 1942).

En

principio, la carta se basa en la ecuación 4.3) para l estimación del incremento de es

fuerzo vertical bajo el centro de una superficie circular cargada. De acuerdo con

l

ecuación 4.3)



38


donde B/2 = radio de la superficie cargada = R

La ecuación anterior puede reescribirse como

R

_

[ 11p)-z¡3

] 2

1

z qo

4.24)

Ahora sustituimos varios valores de

1p/qo en

la ecuación 4.24) para obtener los valo-

res correspondientes de R/z. La tabla 4.4 muestra los valores calculados de R z para

1p/qo

= Ü, 0.1, 0.2, , l

Usando los valores adimensionales deR/z mostrados en la tabla 4.4, dibujemos cír-

culos concéntricos que tienen radios iguales a R/z, como muestra la figura 4.14. Note

que la distanciaAB en la figura 4.14

es

unitaria. El primer círculo

es

un punto con ra-

dio nulo. Similarmente, el segundo círculo tiene un radio de 0.2698

AB).

El último tie-

ne un radio infinito. Esos círculos fueron divididos por líneas radiales igualmente

espaciadas, produciéndose lo que

se

llama

carta

de

Newmark.

El valor de influencia,

IV,

de esta carta

es

IV

1

4.25)

úmero de elementos sobre la carta

Para

la

carta mostrada en

la

figura 4.14, IV 1/200 0.005.

A continuación se da un procedimiento paso a paso para usar la carta de Newmark

determinar el esfuerzo vertical bajo una superficie cargada de cualquier forma:

l Identifique la profundidad z bajo la superficie cargada donde va a determinarse

el esfuerzo.

T Bl 4.4 Valores de

R

z para varios valores

de llp/sqo [ec. 4.24)]

o

o

0.1 0.2698

0.2 0.4005

0.3 0.5181

0.4 0.6370

0.5 0.7664

0.6 0.9174

0.7 1.1097

0.8 1.3871

0.9 1.9084

l O

00



4.7

ncremento

del esfuerzo

debido

a

cualquier

tipo de carga 39

FIGUR 4.14 Carta de influencia para el cálculo

de

la presión

vertical según Newmark, 1942)

2. Adopte una escala

=

B (es decir, longitud unitaria de acuerdo con la carta

de Newmark).

3. Dibuje la planta de la superficie cargada con base en la escala adoptada en el

paso 2.

4. Coloque la planta dibujada en el paso 3 sobre la carta de Newmark de manera

que el punto bajo el cual el esfuerzo va a

ser

determinado, quede directamen-

te arriba del centro de la carta.

5. Cuente el número de elementos de la carta que caen dentro de la planta. Sean

éstos igual aN

6.

Calcule el incremento de esfuerzo como

1p

(JV)(N)(q.)

(4.26)

donde q

=

carga por área unitaria sobre la superficie cargada

J MPLO

4 4

Una superficie flexible rectangular de 2.5

mx

5 m,

está

localizada sobre el ter reno

y

cargada con q = 145 kN/m

2

• Determine el incremento de esfuerzo causado por esta

carga a una profundidad de 6.25 m debajo del centro de la superficie rectangular. Use

la carta de N ewmark.



240

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de carga

y asentamiento

admisibles

T FIGURA4 15

Solución: Aquí,

z

= 6.25 m por lo que la longitudAB en la figura 4.14 es 6.25 m. Con

esta

escala,

la

planta de la superficie rectangular cargada puede

ser

dibujada. La figura

4.15 muest ra la planta colocada sobre la carta de Newmark con el centro de la superfi-

cie cargada arriba del centro de la carta. La razón para la colocación

es

que el incre-

mento de esfuerzo se requiere en un punto inmediatamente abajo del centro de la

superficie rectangular. El número de elementos de la carta de influencia que están den-

tro de la planta

es

aproximadamente 26, por lo que

1p = N) N) qo) = 0.005) 26) 145) = 18 85 k m

2

CÁLCULO

DE

SENT MIENTOS

4 8 ASENTAMIENTO ELASTICO BASADO

EN LA TEORIA DE LA ELASTICIDAD

El asentamiento elástico de una cimentación superficial

se

estima usando la teoría de

la elasticidad. Con referencia a la figura 4.16 y aplicando la ley de Hooke,

1 J

Se= e,

dz f1Pz- J.l,f1Px-

J.1, 1py)dz

o E, o

4.27)



4.8 Asentamiento elástico basado en

la

teoría de la elasticidad 24

Carga= qofárea unitaria

y

H

:: :

; . \ : ~ · \ · ..·/·:::-·r::::·.:); \ i:· · \·

· ~ · \ ;_ ¡; \ :·,......

~ t r ~ t ~ ·

. ·

z incompresible

T

FIGURA

4 16 Asentamiento elástico de cimentación superficial

donde Se

=

asentamiento elástico

Es

=

módulo de elasticidad del suelo

H

=

espesor del estrato de suelo

Jls =

relación de Poisson del suelo

/),jJx, / ,JJy,

/ jJ

2

= incremento del esfuerzo debido a la carga neta aplicada a

la

cimentación, en las direcciones x

y y

z respectivamente

Teóricamente, si

la

profundidad de la cimentación

D

1

= O,

H

= oo,

y la cimentación

es perfectamente flexible, de acuerdo con Harr 1966), el asentamiento

se

expresa co-

mo figura 4.17)

S

= qo

1 -

J.lZ)

0

e

Es

s

2

esquina de la cimentación flexible)

donde

centro de la cimentación flexible)

a=_ _ [In V

1 m ~

ml) +m

ln + 1 )]

7T V1 + mj - m

1

V + m1 - 1

m

1

=

LIB

B = ancho de

la

cimentación

L =

longitud de

la

cimentación

4.28)

4.29)

4.30)

4.31)

Los valores de

a

para varias relaciones longitud a ancho

L/B)

se muestran en la figu-

ra

4.18. El asentamiento promedio inmediato para una cimentación flexible también se

expresa como



4

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales:

apacidad

de

carga y asentamiento admisibles

de cimentación

rígida

de cimentación

flexible

· ·

Jl s =Relación de Poisson · ·

• . Es

=

Módulo de elasticidad. :

FIGURA

4 17

Asentamiento elástico de cimentaciones

flexibles

y

rígidas

3 . 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

H=oo

D¡=O

Para cimentación circular

a I

aprom 0 85

a =

0 88

0 . 5 ~ ~ L ~ ~ ~ L ~

2

3

4

5

6

7

8

9

10

L B

FIGURA

4 18

Valores de

a

aprom y a ; ecs. 4.28), 4.29), 4.32) y 4.32a)



4.8

Asentamiento

elástico

basado

en

la teoría de

la < lasticidad 43

S

- Bqo 1

2)

e- -

Jls

aprom

Es

(promedio para cimentación flexible)

(4.32)

La figura 4.18 muestra también los valores de lXpmm para varias relaciones L B de una

cimentación.

Sin embargo, si la cimentación mostrada en la figura 4.17 es rígida, el asentamien

to

inmediato

será

diferente

y

se

expresa

como

(cimentación rígida)

(4.32a)

Los

valores

de

a . para varias relaciones

L B de

cimentaciones

se

muestran

en

la figu

ra 4.18.

Si D

= O

y

H < oo debido a la presencia de

una

capa rígida (incompresible), como

muestra

la figura 4.17,

y

S = Bqo (

1

_

112

) [ 1- } 1 ~

F1

+ 1 Jls- 2 , u ~ F z ]

e Es

f s 2

(esquina de la cimentación flexible)

S,= Bqo 1 - J D [ 1- J D F1 + 1 - Jls- 2 J 1 ~ F z l

Es

(esquina de la cimentación flexible)

(4.33a)

(4.33b)

Las variaciones de F

1

y F

2

conHIB se dan en las figuras 4.19 y 4.20, respectivamente

(Steinbrenner, 1934).

Es también importante

ver

que las relaciones anteriores para Se suponen que la pro

fundidad

de

la cimentación

es

igual a cero. Para

D

> O

la magnitud de Se decrecerá.



44

CAPÍTULO CUATRO imentaciones superficiales: apacidad de

carga y


H

B

0.1

0.2 0.3

F¡

0.4

0.5

0.6

L

- =

B

FIGURA

4 19 Variación de

F

1

con

H/B

según Steinbrenner, 1934)

z

0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

o

2

3

4

H

5

B

6

7

8

9

10

1

-

_¡

1

1

2 5

1

1

1

1

\

1

1

:

1

10

L

e oo

1

FIGURA 4 20 Variación de F

2

con H/B según Steinbrenner, 1934)

0.7 0.8



4.9

Asentamiento

elástico de cimentaciones sobre arcillas

saturadas

45

T

J MPLO4 5

Una cimentación de 1 m

x

2 m en planta soporta una carga neta por área unitaria

qo

=

150 kN/m

2

• Para el suelo, Es

=

10,000 kN/m

2

y

ls

=

0.3. Suponiendo que la cimenta

ción es flexible, estime el asentamiento elástico en el centro de la cimentación para las

siguientes condiciones:

a.

D

1

=

O

H

oo

b. D

1

=O H 5m

Solución

Parte a

De la ec. (4.29),

Se =

1

-

¡ 1i a

S

Para

L B

= 2/1 = 2, de la figura 4.18, a ' 1.53, por lo que

s

= (

1

)(

150

)

1

- 0.3

2

)(1.53)

=

0.0209 m= 20 9

e 10,000

Parte b

De la ec. (4.33b),

Se 1- JlD

[(1-

JlD F1 1- Jls- 2J1DF2]

S

Para L B = 2 y H/B = 5, de las figuras 4.19 y 4.20, F

1

'0.525 y F

2

' 0.06

Se (

1

)(

150

)

1-

0.3

2

)[ 1- 0.3

2

)(0.525) 1-

0.3-

2 X 0.3

2

)(0.06)]

10,000

=

0.007 m=

7 0

4 9 ASENTAMIENTO ELASTICO

DE

CIMENTACIONES

SOBRE ARCILLAS SATURADAS

Janbu

y

otros (1956) propusieron una ecuación para evaluar el asentamiento promedio

de cimentaciones flexibles sobre suelos arcillosos saturados (relación de Poisson,

ls =

0.5). Con la anotación usada en la figura 4.21, esta ecuación toma la forma

(4.34)

donde A

1

es una función de H/B y L B y A es una función de D

1

B



46

CAPÍTULO CUATRO

Cimentadones

superfidales: Capaddad

de


Christian

y

Carrier 1978) modificaron los valores

de

1

y z en

alguna medida,

co-

mo muestra la figura 4.21.

Lt__wf1

1 • l

f

l.O

r---- - T ---- -r--- -r--- - - - ,

\

2

0.9

~ r _

- - - - - ~ - - - - 1

0.8

L------ -----..1....----_J...---__J

o

5

1

10

D

B

10

H B

15

20

100 1000

FIGURA

4 21 Valores de A

1

y

A

para el cálculo del asentamiento elástico

con la ec. 4.34) según Christ ian y Carrier, 1978).



4.10

sentamiento

de suelo arenoso: uso del factor

de influencia

de la

deformación unitaria

47

4 1

ASENTAMIENTO DE SUELO ARENOSO USO DEL FACTOR

,

DE

INFLUENCIA

DE

LA DEFORMACION UNITARIA

El asentamiento de suelos granulares también se evalúa usando un actor de

influencia

semiempírico

figura 4.22) propuesto por Schmertmann y Hartman 1978).

De

acuerdo

con este método, el asentamiento es

donde z = factor de influencia de la deformación unitaria

C

1

=

un factor de corrección para la profundidad del empotramiento

de

la

cimentación = 1 - 0.5 q

1q

q ]

4.35)

C

2

= un factor de corrección para tomar en cuenta el

flujo

plástico en el suelo

=

1 + 0.2log tiempo en años/0.1)

q

= esfuerzo al nivel de

la

cimentación

q = yD¡

La variación del factor de influencia de la deformación unitaria con la profundidad

debajo de la cimentación lo muestra la figura 4.22a. Note que, para cimentaciones cua-

dradas o circulares,

\

¿

z

a)

Módulo de

. . . . . . . . . . - . . . . . - - - - - •

elasticidad,

s

t.z

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

t.z

z

b)

T FIGUR 4.22 Cálculo del asentamiento elástico usando el factor

de influencia de la deformación unitaria.



48


Capacidad

de carga y asentamiento admisibles

4=

0 1 enz =O

4 = 0.5

en

z =

z

1

= 0.5B

4

= O en z = z

2

=

2B

Similarmente, para cimentaciones con

L B

10,

4= 0.2 enz =O

4= 0.5

en

z

=z

1

= B

lz =O en

z

=

z

2

= B

donde B = ancho de la cimentación y L = longitud de la cimentación

Para valores de LI entre 1

y

10 puede interpolarse según sea necesario.

Para usar la ecuación 4.35) se requiere primero la evaluación de la variación apro

ximada del módulo de elasticidad con

la

profundidad figura 4.22). La evaluación

se

ha

ce con los números de penetración estándar o resistencias de penetración de cono

capítulo 2). El estrato de suelo

se

divide en varias capas a una profundidad de

z

=

z

2

y

el asentamiento de cada una se calcula. La suma de los asentamientos de todas las

capas

es

igual a Se. Schmertmann 1970) reportó un caso real de una cimentación rec

tangular pila de un puente belga) conL

=

23 m y B

=

2.6 m soportada por un depósi

to de suelo granular. Para esta cimentación suponemos que LI ' 10 para graficar el

diagrama del factor de influencia de

la

deformación unitaria. La figura 4.23 muestra los

detalles de la cimentación junto con la variación aproximada de la resistencia de pe

netración de cono, qc, con la profundidad. Para esta cimentación [ec. 4.35)], note que

q

= 178.54

kN/m

2

q

=

31.39

kN/m

2

q 31.39 )

C

1

= 1 - o.5 q_

q

= 1 - co.5)

178

.

54

_

3

1

9

= o.893

taño)

C

2

= 1

+ 0.2

log

0 1

Para t = 5 años

C

2

= 1 + 0 2 log = 1.34

0 1

La siguiente tabla muestra el cálculo de

2

(1

2

/Es)

L z

de acuerdo con la figura 4.23.



4.10

Asentamiento

de suelo arenoso: uso del factor

de influencia de

la deformación unitaria 249

· · · · z al <:entro

Iz

en el ·

tsz

r fc

· l it

del

e s ~ r a t o

centro

del

·

€rzlli )tsz' .

·

ffisfir tfli

~ m ~ € ~ N X m 3 ~ l < N l m ~ m ~ . . ·.estra to ·. ~ f < ~ l ·.

¡

1

1 2,450

8,575

0.5

0.258

3.00 X I0-

5

2 1.6 3,430 12,005

1.8 0.408

5.43 X I0-

5

3

0.4 3,430 12,005

2.8 0.487

1.62 X I0-

5

4

0.5 6,870 24,045

3.25 0.458

0.95 X I0-

5

5 l O 2,950 10,325

4.0 0.410

3.97 X I0-

5

6 0.5 8,340 29,190

4.75 0.362

0.62 X I0-

5

7 1.5 14,000 49,000

5.75 0.298

0.91 X I0-

5

8 1

6,000

21,000

7.0

0.247

1.17 X I0-

5

9 1

10,000

35,000 8.0 0.154

0.44 X I0-

5

10

1.9 4,000 14,000

9.45

0.062

0.84 X I0-

5

I 10.4 m

4B

L

18.95 X I0-

5

a

Es

3 5qc

[ec. (4.40)]

ij=

178.54

kN/m

2

1

L-- .

1 ......

: @

L . - - - - - ; ~ - - - - - - ~ G D

r - - - - - - - - - - - J

;;

@

1)

L - - - - - - - - - - - ~ J ~ - -

- - - - - - - - - - - - ~ - - - - - - - -

;;; :

G0

1

;;; r J

e\•

•

®

; L - - - - - - - - - - -

\ b ~ f9\

o ~ e ;

; \Z.

~ ~ : ; ; r •

;

;

l

Variación aproximada de q

~ ~ - - - - - - - - 4 ~ . 0 ~ 0 0 ~ - - - - - - ~ 8 ~ , 0 ~ 0 ~ 0 - - - - - - ~ 1 ~ 2 . ~ 0 0 ~ 0 - - - - - - ~ 1 ~ 6 . 0 0 0

q (kN/m

2

)

T

FIGURA

4 23 Variación de

lz

y q bajo la cimentación



25

4 11

CAPÍTULO CUATRO

Cimentaciones

superficiales:

Capacidad

de

carga

y asentamiento admisibles

El asentamiento inmediato es entonces calculado como:

s = lCz q- q)

lz

S

=

(0.893) (1.34) (178.54 - 31.39) (18.95 X 10-

5

)

= 0.03336 33 mm

Después de cinco años, el asentamiento real máximo observado en la cimentación

fue aproximadamente de 39 mm.

RANGO

DE

LOS PARAMETROS DEL MATERIAL

PARA CALCULAR ASENTAMIENTOS ELÁSTICOS

Las secciones 4.8-4.10 presentaron las ecuaciones para calcular el asentamiento inme

diato de cimentaciones, que contienen parámetros elásticos, como

Es

y Jls· Si los resul

tados de pruebas de laboratorio para esos parámetros no están disponibles, deben

hacerse varias hipótesis realistas. La tabla 4.5 muestra el rango aproximado de los pa

rámetros elásticos para varios suelos.

Varios investigadores correlacionan los valores del módulo de elasticidad,

Es

con

el número de penetración estándar en campo, NF y con la resistencia a la penetración

de cono, Qc· Mitchell

y

Gardner (1975) compilaron una lista de esas correlaciones. Sch

mertmann (1970) indicó que el módulo de elasticidad de la arena se da por

donde

NF

= número de penetración estándar en campo

En unidades inglesas

E(U.S. ton/pie2) = NF

•

T BL

4 5 Parámetros elásticos para varios suelos

Arena suelta

1,500-3,500

10.35 - 24.15

Arena densa media 2,500-4,000

17.25- 27.60

Arena densa

5,000-8,000

34.50 - 55.20

Arena limosa 1,500-2,500

10.35-

17.25

Arena

y

grava

10,000-25,000

69.00-

172.50

Arcilla suave

600-3 000

4.1-20.7

Arcilla media

3,000-6,000

20.7-41.4

Arcilla firme

6,000-14,000

41.4-96.6

(4.36)

(4.37)

0.20-0.40

0.25-0.40

0.30-0.45

0.20-0.40

0.15-0.35

0.20-0.50



4.12

sentamiento por consolidación 25

Similarmente,

4.38)

donde

qc

= resistencia a la penetración estática de cono

Schmertmann y Hartman 1978) sugirieron además que la siguiente correlación se

usa con los factores de influencia de deformación unitaria descritos

en

la sección 4.10:

para cimentaciones cuadradas y circulares)

4.39)

y

para cimentaciones corridas)

4.40)

Nota Cualquier conjunto de unidades consistentes puede usarse en las ecuaciones

4.38)- 4.40).

El módulo de elasticidad de arcillas normalmente consolidadas se estima como

Es

=

250c

a

500c

4.41)

y

para arcillas preconsolidadas, como

Es = 750ca 1000c

4.42)

donde e = cohesión no drenada de suelo de arcilla

4 12 ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACION

Como se mencionó antes, el asentamiento por consolidación se da a lo largo del tiem

po, y ocurre

en

suelos arcillosos saturados cuando son sometidos a una carga crecien

te

causada por la construcción de una cimentación figura 4.24).

En

base a las

ecuaciones para e l asentamiento unidimensional por consolidación dadas en el capítu

lo

1,

podemos escribir

Se=

J dz

donde

ez

= deformación unitaria vertical

J..e

=

1 + eo

J..e = cambio de la relación de vacíos

=

f p.,pc

Y l.P

Entonces

S _ CJl, l o +

J..Pprom

e

1

+e og

p

o o

para arcillas normalmente

consolidadas)

para arcillas preconsolidadas

con

o

+

ll.Pprom

<Pe

para arcillas preconsolidadas

con o <

e

< o + ll.Pprom)

1.64)

1.66)

1.68)



5

CAPÍTULO CUATRO Cimentac iones superficiales:

apacidad

de carga

y


· Incremento

_

... _

del esfuerzo

b p

Nivel freático

y

FIGURA

4 24

Cálculo del asentamiento por consolidación

donde

Po

presión efectiva promedio sobre el estrato de arcilla antes de la

construcción de la cimentación

11Pprom incremento promedio de la presión sobre el e stra to de arcilla

causada por

la

construcción de

la

cimentación

Pe

=

presión de preconsolidación

eo

relación de vacíos inicial del estrato de arcilla

e

índice de compresión

Cs =

índice de expansibilidad

He

= espesor de la capa de arcilla

Los procedimientos para determinar los índices de compresión

y

expansibilidad

se

die-

ron en el capítulo l

Note que el incremento de presión

/j;JJ

sobre el estrato de arcilla no es constante

con la profundidad. La magnitud de j;jJ decrecerá con el incremento de la profundidad

medida desde el fondo de la cimentación. Sin embargo el incremento promedio de pre-

sión puede aproximarse por

4.43)



4 12 Asentamiento por consolidación 53

donde

p

1

l.Pm y l.Pb son los incrementos de presión arriba,

en

medio y en el fondo del

estrato de arcilla causados por la construcción de la cimentación.

El método de determinar el incremento de presión causado por varios tipos de car

ga de cimentaciones se da en las secciones 4.2-4.7.

l.Pprom

también se obtiene directa

mente con el método presentado

en

la sección 4.5.

T EJEMPLO4 6

Una cimentación de 1 m

X

2 m en planta se muestra en la figura 4.25. Estime el asen

tamiento por consolidación de la cimentación.

Solución La arcilla está normalmente consolidada. Entonces

Po=

(2.5)(16.5) (0.5)(17.5 - 9.81) (1.25)(16 - 9.81)

= 41.25 + 3.85 + 7

74

= 52.84 kN/m

2

De

la ec. (4.43),

Ahora puede elaborarse la siguiente tabla (nota: L = 2 m; B = 1 m):

Arena

. ·

Y

= 16.5

k m

3

T

FIGUR

4 25



254

4 13


2

2

2

Tabla4.3

b

Ec.

4.10)

2 4

2 + 2.5/2 = 3.25 6.5

2 + 2.5

=

4.5 9

0.190

=0.085

0.045

28.5 =

ljJ¡

12.75

= ljJ,.

6.75=/lP,

fiPprom = H28.5 + 4

X

12.75 + 6. 75) = 14.38 kN/m

2

por lo que

- 0.32) 2.5) 52.84 + 14.38) - -

S, -

1

+

0

.

8

log

52

.

84

- 0.0465 - 46.5 mm

;

MODIFICACION SKEMPTON BJERRUM PARA

;

ASENTAMIENTOS

P R

CONSOLIDACION

El cálculo del asentamiento por consolidación presentado

en

la anterior sección

se

ba

sa

en las ecuaciones 1.64), 1.66) y 1.68). Esas formulas, como mostró el capítulo

1,

se basan en pruebas unidimensionales de consolidación de laboratorio. Se supone en

esas ecuaciones que el incremento de la presión de poro del agua, llu inmediatamen

te

después de la aplicación de la carga es igual al incremento del esfuerzo, ¡ ,JJ, en cual

quier profundidad. Para

este

caso

Sc oul)

=

I

1

z =

Jm. fiP r)

z

donde

Sc oeá) =

asentamiento por consolidación calculado usando las ecuaciones

1.64), 1.66)

y

1.68)

M><IJ

=

incremento del esfuerzo vertical note el cambio de notación

para¡)JJ)

m

= coeficiente de compresibilidad volumétrica véase el capítulo 1)

Sin embargo,

en

el campo, cuando la carga se aplica sobre un área limitada de la su

perficie del terreno,

esta

suposición no será correcta. Considérese el caso de una ci

mentación circular sobre un estrato de arcilla como

muestra

la figura 4.26. Los

incrementos de esfuerzo vertical

y

horizontal en un punto en el est rato de arcilla in

mediatamente abajo del centro de la cimentación son ¡)JJ l) y M><

3

J,

respectivamente.

Pa-

ra una arcilla saturada, el incremento de la presión de poro del agua a esa profundidad

capítulo 1) es

fiu = Cip 3J + A fiP<rJ - Cip<3l]

donde

A

=

parámetro de la presión de poro del agua

Para este caso

S,= Jm. fiudz

=

Jm.){fiP<

3

l

+

A[Cip l)-

Cip<

3

]}

z

4.44)

4.45)



4.13 Modificación

Skempton

Bjerrum

para asentamientos

por consolidación 55

FIGURA 4.26 Cimentación circular sobre un estrato de arcilla

Por tanto, podemos escribir

4.46)

donde Kcir

=

tasa de asentamiento para cimentaciones circulares.

La casa de asentamiento para una cimentación corrida Ks

1

r) se

determina de manera

similar a la de una cimentación circular. La variación de Kcir y Kstr con A y Hci se

da en la figura 4.27. Nota: B = diámetro de una cimentación circular y B = ancho de

una cimentación corrida.)

A continuación

se

da el procedimiento para determinar el asentamiento por conso-

lidación según Skempton y Bjerrum 1957).

l Determine el asentamiento por consolidación Sc oed) usando el procedimiento

delbeado en la sección 4.12. Note el cambio de notación respecto a

Se.)

2. Determine el parámetro, A de la presión de poro del agua.

3. Determine

He/B.

4.

Obtenga la tasa de asentamiento,

en este

caso, de la figura 4.27.

5. Calcule el asentamiento real de consolidación:

e Sc oed) X tasa de asentamiento

4.47)



256


o

...

¡

( )

·

r

....

¡

( )

( /)

r

( )

O

r

( /)

IfcfB : ~ : _ 5 ---------

0 8

0.6

0.4

0.2

Cimentación

ci rcular

Cimentación

---corr ida

0 ~ ~ ~ ~ ~ ~

0.2 0.4 0.6 0.8

Parámetro

de la presión de poro del agua

T

FIGURA

4 27 Tasas de asentamiento para c imentaciones circulares Kci,)

y continuas Kstr)

l.

O

Este procedimiento generalmente

se

denomina

modificación

e

Skempton Bjerrum

pa-

ra el cálculo del asentamiento por consolidación.

4 14 ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACION COMENTARIOS

GENERALES Y UN CASO HISTORIA

Al

predecir el asentamiento por consolidación y

su

rapidez

en

condiciones de campo rea-

les, el ingeniero tiene que hacer varias suposiciones simplificatorias. Éstas

se

refieren

al

índice de compresión, al coeficiente de consolidación, a la presión de preconsolidación, a

las condiciones de drenaje y al espesor del estrato de arcilla. La estratificación del suelo

no es siempre uniforme y con propiedades ideales; por consiguiente, el comportamien-

to

en

el campo

se

desvía de

lo

predicho, requiriéndose entonces ajustes durante la cons-

trucción. El siguiente caso de consolidación, reportado por Schnabel (1972), ilustra esta

realidad.

La figura 4.28 muestra las condiciones del subsuelo para la construcción de un edi-

ficio escolar

en

Waldorf, Maryland. Suelos de arena y grava del pleistoceno superior es-

tán soportadas por depósitos de arena limosa fina muy suelta, de arcilla limosa suave y

de limo arcilloso. Los estratos más suaves

están

sobre varias capas de arcilla limosa rí-

gida a firme, limo arcilloso y limo arenoso hasta una profundidad de 50 pies. Antes

de

que comenzara la construcción del edificio, un terraplén compactado con espesor de 8

a 10 pies fue colocado sobre la superficie del terreno. Este terraplén inició el asenta-

miento por consolidación en la arcilla limosa suave y en el limo arcilloso.



4.14 Asentamiento por consolidación. Comentarios generales y

un

caso historia

57

Elevación

(pies) Perfil del subsuelo

193.5

77'7777'1"7717?""''""'"""""77771 Contenido

natural del agua

(%)

Resistencia a

compresión

simple (klb/pie2)

Diagrama de

esfuerzo (total)

(klb/pie2)

185.3 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ - - . . . . - - _ ¡ - - . - - 4

178.8

r - - - - ' - - - - - t - r l l - + - t - - H r - - + - + + - H - - t - - H - - \ + - ~ - - - + - - - l

1 7 6 . 8 1 1

Arcilla limosa suave

café y gris y limo

arcilloso (N=

1-2).

Sensitividad = 1.5

Y=

90 lb/pies3

165.8

t-:---:::--:-:----:---t-t++-H-t--.PH-t-+-_,_----\-t-t--t---1r+----lH---l

Arcilla

limosa dura gris,

algo de arena fina

<N= 6), y= 1oo

Limo arcilloso gris

duro a firme y limo

arenoso, algunas

conchas y arena fina

Nd-7),

y 100 lb/pies3

135.3

_ . J . . . . L . l . . J . . L . . L L . . . l L . . . l . l . . J ~ L . l . . J L . _ l _ _ _ l _

_...L_ J

Nota A:

Arena fina

limosa, café muy

suelta

(N= 3)

e

Esfuerzo de preconsolidación estimado

f 1

Límites de Atterberg

FIGURA 4.28

Condiciones del subsuelo para

la

construcción de

un edificio escolar nota: los valores SPT no están

corregidos, es decir, Np¡ según Schnabel, 1972

Para predecir la velocidad de asentamiento en base a los resultados de pruebas de

laboratorio, los ingenieros hicieron las siguientes aproximaciones:

a. La presión, Pe de preconsolidación fue de 1600 a 2800 lb/pies

2

en

exceso de la

presión existente de sobrecarga.

b. El índice de expansibilidad, C fue de entre 0.01

y

0.03.

c. Para los estratos más compresibles,

Cv

0.36 pie

2

/día y para los estratos más

rígidos de suelo,

Cv

3.1 pie

2

/día.

El asentamiento total por consolidación fue estimado aproximadamente igual a 3 pul

gadas. Se esperó que bajo condiciones de drenaje doble, el 90% del asentamiento ocu

rriese en 114 días.



58

CAPÍTULO CUATRO imentaciones superficiales: apacidad de carga

y


j.-Tiempo

de

carga.J

Asentamiento medido

Asentamiento teórico corregido

90%

(114 días)

Asentamiento total estimado del terraplén

=

3.0

f

FIGUR 4.29

Comparación del asentamiento por consolidación medido

y

predicho con

el

tiempo (según Schnabel, 1972)

180

La figura 4.29 muestra una comparación de los asentamientos medidos y predichos

con el tiempo, indicando que

a.

Sccobservacto) ' 0.4

7

(estimado)

b. 90 del asentamiento ocurrió

en

aproximadamente 70 días; por consiguiente

t90(observado) /t90(estimado)

'

0.58.

Se

cree que el relativamente rápido asentamiento en el campo se debe a la presencia

de

un estrato de arena fina dentro de depósitos miocénicos.

CAPACIDAD PERMISIBLE DE CARGA

4 15 PRESION PERMISIBLE DE C RG EN REN

BASADA

EN CONSIDER CIONES DE SENT MIENTOS

Meyerhof (1956) propuso una correlación para la

presión de

c rg

net

dmisible en ci

mentaciones con la resis tencia de penetración

estándar

corregida,

cor

La presión ne

ta se define como

qneta(adm)

= qadm

-

y ¡



4.15 Presión permisible de carga en arena basada en consideraciones de asentamientos 59

De acuerdo con la teoría de Meyerhof, para 1 pulgada (25.4 mm) de asentamiento má

ximo estimado

qneta adm)

kN/m

2

) = 11 98Ncor

(para

1.22

m)

(4.48)

2

_ 3.28B +

1)

2

qneta adm)

kN/m ) -

7 99Ncor

3.28B (para

>

1.22 m)

(4.49)

donde Ncor = número de penetración estándar corregido

Note que

en

las ecuaciones (4.48) y (4.49)

está en

metros.

En unidades inglesas,

(klb/

.

2

) _ Ncor

qneta adm) p1e -

4

(para B 4 pies)

(4.50)

y

klb/

.

2) _ Ncor B +

1)

2

qneta adm)

p1e

- 6

(para

>

4 pies)

(4.51)

Desde que Meyerhof propuso su correlación original, los investigadores han observa

do que sus resultados son algo conservadores. Posteriormente Meyerhof (1965) sugirió

luego que la presión neta admisible de carga debía incrementarse

en

aproximadamente

50 . Bowles (1977) propuso que la forma modificada de las ecuaciones para la presión de

carga

se

expresen como

para 1.22

m)

2

_ ( 3.28B + 1 )

2

_3____)

qneta adm) kN/m ) -

11 98Ncor

3

.

2

SB

d

25.4

donde d

=factor

= 1 + 0.33 D

1

B)

1.33

Se

= asentamiento tolerable, en mm

De nuevo, la unidad de está

en

metros.

En

unidades inglesas

(para 4 pies)

(para

B > 1.22

m)

klb/

.

2

) _

Ncor

B +

1)

2

F

S

qneta adm) p1e -

4

B d e

(para

>

4 pies)

donde d está dada por la ecuación (4.54)

Se

=

asentamiento tolerable,

en

pulgadas

(4.52)

(4.53)

(4.54)

(4.55)

(4.56)



26


Capacidad de

carga

y asentamiento

admisibles

En base a las ecuaciones 4.55) y 4.56), las variaciones de Qneta actm/ Fd Se con B YNcor

se dan en la figura 4.30.

Las relaciones empíricas presentadas motivan algunas preguntas. Por ejemplo,

¿qué valor del número de penetración estándar debe usarse y cuál

es

el efecto del ni-

vel del agua freática sobre la capacidad de carga neta admisible? El valor de diseño de

Ncor debe determinarse tomando en cuenta los valores Ncor para una profundidad de

2B

a

3B

medida desde el fondo de la cimentación. Muchos ingenieros son también de la

opinión de que el valor Ncor debe reducirse algo si el nivel del agua freática

está

cerca-

no a la cimentación. Sin embargo, el autor cree que esta reducción no es requerida por-

que

la

resistencia a

la

penetración refleja

la

localización del nivel del agua freática.

Meyerhof 1956) también preparó relaciones empíricas para la capacidad de carga ne-

ta admisible de cimentaciones basadas en

la

resistencia a

la

penetración de cono qc

y

qc

qneta adm) =

15

para s 1.22 m y asentamiento de 25.4 mm)

b_

3.28B

+

2

•

qneta adm) =

25 3

.

2

SB para B > 1.22 m y asentamiento de 25.4 mm)

4.57)

4.58)

Note que en las ecuaciones 4.57) y 4.58), las unidades

deB

están en metros y las uni-

dades de

Qneta adm)

y

Qc

en kN/m

2

•

12

10

.--.._

8

·a

6

._.

¡ ~ ~

i

4

2

o

o

4

8

12

16

B

pie)

FIGURA

4 30

Gráfica de qneta<actm/FdSe versus

B;

Ecs.

4.55)

y 4.56)



4.16

Prueba

de

carga

en

campo 26

En unidades inglesas

qc lb/pie

2

)

Qneta adm) lb/pie

2

)

15

para B 4 pies

y

asentamiento de 1 pulg)

4.59)

y

qc lb/pie

2

)

{E 1 )

2

Qneta adm) lbjpie

2

)

25

B

para

B

>

4

pies

y

asentamiento de

1

pulg)

4.60)

Note que

en

las ecuaciones 4.59) y 4.60), las unidades deB están

en

pies.

La consideración básica detrás del desarrollo de esas correlaciones

es

que, si el asen

tamiento máximo no es más de 1 pulgada 25.4 mm) para cualquier cimentación, el

asentamiento diferencial no será mayor de O 75 pulgada 19 mm). Éstos son probablemen

te los límites admisibles para

la

mayoría de los diseños de cimentaciones para edificios.

4 16 PRUEB DE C RG EN C MPO

La capacidad de carga-soporte última de una cimentación, así como la capacidad de car

ga

d m i ~ i b l e

basada en consideraciones de asentamiento tolerable,

se

determinan

efectivamente con la prueba de carga en campo. A ésta se le llama prueba de carga

de

placa ASTM, 1982; designación de la prueba: D-1194-72). Las placas usadas para

pruebas de campo son usualmente de acero y de 25

mm

1 pulgada) de espesor y de

150 mm a 762 mm 6 pulga 30 pulg) de diámetro. Ocasionalmente se usan también pla

cas cuadradas de 305 mm

X

305

mm

12 pulg x 12 pulg).

Para realizar una prueba de placa de carga, se excava un agujero con un diámetro

mínimo 4B

JJ

diámetro de la placa de prueba) a una profundidad de

D

D

profun

didad de desplante de la cimentación propuesta). La placa se coloca en el centro del

agujero. La carga

se

aplica a la placa por pasos, aproximadamente de un cuarto a un

quinto de la carga última estimada, por medio de un gato. Un diagrama esquemático del

arreglo de la prueba se muestra

en

la figura 4.31a. Durante cada etapa de aplicación de

la carga, el asentamiento de

la

placa se mide con extensómetros. Por lo menos una ho

ra debe transcurri r ent re cada etapa de aplicación de

la

carga. La prueba debe condu

cirse hasta la falla, o por lo menos hasta que la placa se haya asentado 25 mm

1

pulg).

La figura 4.32 muestra la naturaleza de la curva carga-asentamiento obtenida de tales

pruebas, de la cual

se

determina la carga última por área unitaria.

Para pruebas en arcilla,

donde Qu FJ = capacidad de carga última de la cimentación propuesta

Qu P)

capacidad de carga última de la placa de prueba

4.61)

La ecuación 4.61) implica que la capacidad de carga última en arcilla es virtualmente

independiente del tamaño de la placa.

Para pruebas

en

suelos arenosos,

BF

Qu F) Qu P)

Bp

4.62)



6

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad

de

carga

sent miento

admisibles

Viga de

Asentamiento b)

Diámetro de

la placa de

prueb B

FIGURA

4 31

Prueba

de la placa de carga: a) arreglo de la prueba;

b)

naturaleza de la curva carga-asentamiento

donde

F

=

ancho de la cimentación

BP

=

ancho de la placa de prueba

La capacidad de carga admisible de una cimentación, basada

en

consideraciones de

asentamiento para una intensidad dada de carga, q ' es

para suelo arcilloso)

4.63)



50

10

l .O

o

o

•

•

•

•

•

•

•

•

•

. .

.

[;--

..

• •

•

•

c. (4.64)

l

O

4

10

F

Bp

4.16 Prueba de carga en

campo 63

•

•

•

•

40 100

FIGURA

4.32

Comparación

de los

resultados de pruebas de campo con

la Ec. 4.64)

según

D Appolonia y otros, 1970)

y

(

BF

)

2

SF=

Sp

BF Bp

(para suelo arenoso)

(4.64)

La relación anterior se basa en el trabajo de Terzaghi y Peck (1967). La figura 4.32

muestra una comparación de varios resultados de pruebas de campo a gran escala con

la ecuación (4.64). En base a la comparación, puede decirse que la fórmula da aproxi

maciones bastante buenas.

Housel (1929) propuso un procedimiento diferente para determinar la capacidad de

carga-soporte de cimentaciones superficiales

en base a consideraciones de asenta

mientos:

l . Se requiere encontrar las dimensiones de una cimentación que soporte una

carga

Qo

con un asentamiento admisible

Se(adm)·

2. Realizar dos pruebas de placa de carga con placas de diámetros B

1

y B

2

•

3. De las curvas carga-asentamiento obtenidas en el paso 2, determine lascar

gas totales sobre las placas (Q

1

y Q

2

) que corresponden al asentamiento

Se(adml·

Para la placa no. 1 la carga total se expresa como

QI = A m + P n

Similarmente, para la placa no. 2

Qz

=

Azm

+ Pzn

donde A

A

2

=

áreas de las placas no. 1 y no. 2, respectivamente

(4.65)

(4.66)

P

P

2

= perímetros de las placas no. 1 y no. 2, respectivamente

m n

=

dos constantes que corresponden a la presión de carga

y al cortante perimetral, respectivamente

Los valores de m y n se determinan resolviendo las ecuaciones (4.65) Y (4.66).



64

CAPÍTULO CUATRO imentaciones superficiales:

apacidad de

carga

y asentamiento

admisibles

4 Para la cimentación por diseñarse,

Qo Am

+ Pn

4.67)

donde A = área de la cimentación

P = perímetro de la cimentación

Como Q ' m y n son conocidas, la ecuación 4.67)

se

resuelve para determinar el an-

cho de la cimentación

...

EJEMPLO4 7

Los resultados de una prueba de placa de carga en un suelo arenoso

se

muestran

en

la

figura 4.33. El tamaño de la placa es 0.305 m X 0.305 m Determine el tamaño de una

cimentación cuadrada para columna que debe soportar una carga de 2500 kN con un

asentamiento máximo de 25 mm.

Solución:

El problema tiene que resolverse por tanteos. Use la siguiente tabla y la

ecuación 4.64):

8uRonga _ lS¡;, correspondiente lSF

e la

,<m o

ancho qo B a q en la coh.:1mma

Ec.

4.64)

~ 1 < 1 8 1 I ISIAm

2

.) 3 mm) mm)

~ 2 ~ ~ 3 ~ 4 ~ .8)

2500 4.0

2500 3.0

2500 3.2

156.25

277.80

244.10

4.0

8.0

6.8

13.81

26.37

22.67

Una zapata para columna con dimensiones de 3 2

m X

3 2

m será

apropiada.

Carga/área unitaria kN/m

2

)

o

lO

s

20

5

200 400 600 800

----

--......

............

8

30

"'

2:1

8

40

......

'

~

50

\

\

\

60

70

T FIGURA

4 33



4.16

Prueba de carga en campo 65

T J MPLO 4 8

Los resultados de dos pruebas de placa de carga se dan en la siguiente tabla:

Diámetro a ~ i

'

,,la placa, B

€ ar9a

total, ~ s é r n : l l a m í e J i l : O

, ~ m : M ~ ~ ~ ~ , ~ m ~ ~ , >

; (\u '

0.305

0.610

32.2

71.8

20

20

Una zapata cuadrada para columna tiene que construirse para soportar una carga total

de 715 kN. El asentamiento tolerable es de 20 mm. Determine el tamaño de

la

cimen-

tación.

Solución Use

las ecuaciones (4.65)

y

(4.66):

T

32.2 = ¡ (0.305)

2

m + T (0.305)n

T

71.8

= ¡ 0.610)

2

m

+ T

(0.610)n

De (a) y (b),

m

= 50.68

kNfm

2

n

= 29.75 kN/m

Para

la

cimentación por diseñarse [ec. (4.67)],

Qo=Am

+

Pn

o

Para Q

= 715 kN,

o

715 = Bff(50.68) + 4BF(29.75)

50.68B + 9BF

715

=

0

B

1

'

2 8m

(a)

(b)

T J MPLO 4 9

Va a construirse una cimentación superficial cuadrada para una columna. La cimenta-

ción deberá soportar una carga neta vertical de 1000 kN y el suelo es arena. Los nú-

meros de penetración estándar obtenidos de exploración de campo se dan en la figura



66

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad d e carga y asentamiento admisibles

4.34. Suponga que la profundidad de

la

cimentación

será

de 1.5 m

y

el asentamiento to

lerable de 25.4 mm. Determine el tamaño de la cimentación.

Solución Los números de penetración estándar tienen que corregirse usando

la

re

lación de Liao

y

Whitman tabla 2.4).

Esto se

hace

en

la siguiente tabla:

2 3

31.4 7

4

7 62.8

9

6

12

94.2

12

8 12

125.6 11

10

16 157.0

13

12

13 188.4

9

14

12

206.4 8

16 14 224.36

9

18

18

242.34 11

Redondeado

De

la

tabla

se

tiene que un valor

Ncor

promedio corregido de aproximadamente 10

será

apropiado. Usando la ecuación 4.53)

N

3.28B

+

1

2

F

S

)

qneta adm)

= 11.98

cor

3

.

28

B d

25

.

4

El

S

admisible

es

de 25.4 mm

y

Ncor

=

10, por lo que

3.28B +

2

qneta adm)

= 119.8

3

.

28

B Fa

Número de

o 5 10 15 20

o .----..,.-----.------.----...-• penetración, N

2 estándar de campo

4

6

8

10

12

14

16

8

Profundidad m)

T

FIGURA 4 34

Y= 15.7 kN/m

3

Ysat

= 18 8

kNjm



4 17

4 18

4 18 Asentamientos tolerables en

edificios

67

La siguiente tabla puede ahora prepararse para los cálculos de tanteos:

2 1.248 197.24 788.96

2.25 1.22 187.19 947.65

2.3 1.215 185.46 981.1

2.4 1.206 182.29 1050.0

2.5 1.198 179.45 1121.56

Dr=

1 5

m

Como la Qo requerida

es

de 1000 kN,

será

aproximadamente igual a 2 4 m.

C P CID D DE C RG PRESUPUEST

Varios reglamentos de construcción por ejemplo, Uniform Building Code, Chicago

Building Code, New

York

Building Code) especifican la capacidad de carga admisible

de cimentaciones sobre varios tipos de suelos. Para construcciones menores, ellos

proporcionan a menudo directrices bastante aceptables. Sin embargo, esos valores de

la capacidad de carga

se

basan principalmente

en

una clasificación visu l de los suelos

cercanos a la superficie. És tos generalmente no toman en cuenta factores tales como

la historia de los esfuerzos del suelo, localización del nivel freático, profundidad de la

cimentación y el asentamiento tolerable. Por tanto, para grandes proyectos de cons-

trucción, los valores presupuestos de los reglamentos deben usarse únicamente como

guías.

SENT MIENTOS TOLER BLES EN EDIFICIOS

Como

se

recalca en

este

capítulo, el análisis por asentamiento

es

una parte importan-

te

del diseño y construcción de cimentaciones. Grandes asentamientos de varias com-

ponentes de una estructura pueden conducir a un daño considerable y/o a interferir

con un funcionamiento apropiado de la estructura. Se realizaron estudios limitados pa-

ra evaluar las condiciones para asentamientos tolerables de varios tipos de estructu-

ras por ejemplo, Bjerrum, 1963; Burland y Worth, 197

;

Grant y otros, 197

;

Polshin

y Tokar, 1957; y Wahls, 1981). Este último hizo un excelente resumen de esos estu-

dios.

La figura 4.35 da los parámetros para la definición de asentamiento tolerable. La fi-

gura 4.35a es para una estructura que ha sufrido un asentamiento sin inclinación y la

4.35b con inclinación.

Los parámetros son

¡ = desplazamiento vertical total en el punto

i

u

=

asentamiento diferencial entre los puntos

i

y

j

L l = deflexión relativa

w

= inclinación



68 CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de carga y asentamiento admisibles

A

l:=zAB----1

B C L D

•1

E

;r;t r :. · r - - - - - - - - - - ~ - - - - - - - - - . . . 1 '

Pmáx ' < ~

f ab 1

..,,.,...-

1

...

O B :l ------

- ~

1

_ .4

Perfil del

' '

___ . _________

,..--

asentamiento

(a) Asentamiento sin inclinación

7/7 1

• ]

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ r

0 ,,

B

~ _ .

1

' ~ ~ .. ;

- - - - - - - - - ~ 1 _......__Perfil del

--

------ ------- asentamiento

(b) Asentamiento con inclinación

T

FIGURA 4 35

Parámetros para la definición del asentamiento

tolerable (dibujo según Wahls, 1981)

d

.,

1

T];J

=

w

=

1storswn angu ar

= tasa de deflexión

L1

L = dimensión lateral de la estructura

jerrum (1963) proporcionó las condiciones de la distorsión angular límite

r¡

para va

rias

estructuras

(véase la tabla 4.6).

Polshin y Tokar (1957) presentaron los criterios de asentamiento del Código de

Construcción 1955 de la Unión Soviética. Éstos se basaron en la experiencia obtenida

de observaciones

de

asentamientos de cimentaciones a lo largo de 25 años. Las tablas

4. 7 y 4.8 presentan los criterios.

CIMENTACIONES ON

SU LO

REFORZADO

4 19 CIMENT CION SUPERFICI L SOBRE

SUELO REFORZ DO

En el capítulo 3 se mencionó que la capacidad de carga última de cimentaciones super

ficiales puede mejorarse incluyendo refuerzo

de

tensión tal como tiras metálicas, geo

textiles y geomallas en el suelo que soporta la cimentación. El procedimiento para



4.19

Cimentación

superficial sobre suelo reforzado

69

T BL 4 6 Distorsión angular límite recomendada

p r

Bjerrum•

¡ ~ ~ ~ e ¡ ¡ ~ m o p o t e n ~ i a l , :, . , fl

Peligro para maquinaria sensible a asentamientos 1/750

Peligro para marcos con diagonales 1/600

Límite seguro para no agrietamiento de

edificiosb

1/500

Primer agrietamiento de muros 1/300

Dificultades con grúas elevadas 1/300

La inclinación de edificios altos rígidos resulta visible 1/250

Agrietamientos considerables de muros de tableros y de ladrillos 1/150

Peligro de daño estructural a edificios

en

general 1/150

Límite seguro para muros flexibles de ladrillos, L H> b 1/150

Según

Wahls 1981)

b

Los límites seguros incluyen un factor de seguridad. = altura del edificio

T BL 4 7 Criterios de asentamientos admisibles: Reglamento•

¡¡je construcción de

la

Unión Soviética 1955

Cimentaciones de columnas de edificios

civiles

e industriales:

Para estructuras de acero y concreto reforzado

Para filas extremas de columnas con revestimiento de ladrillo

Para estructuras donde no se presenta deformación auxiliar

durante el asentamiento

no

uniforme de las cimentaciones

Inclinación de chimeneas, torres, silos, etc.

Grúas

Muros simples de ladrillo

Para habitaciones de varios niveles y edificios civiles

paraLjH:<:;3

paraL/H ?:5

Para edificios fabriles de un solo nivel

Según Wahls

1981). =al tura del edificio

0.002

0.007

0.005

0.004

0.003

0.0003

0.0005

0.0010

0.002

0.001

0.005

0.004

0.003

0.0004

0.0007

0.0010

diseñar las cimentaciones superficiales por condición de asentamiento límite es decir,

la capacidad de carga admisible) con capas de geomallas como refuerzo está aún en las

etapas de investigación

y

desarrollo. Sin embargo, el problema de la capacidad de carga

admisible de cimentaciones superficiales que descansan sobre suelo granular con ti-

ras metálicas fue estudiado en detalle por Binquet y Lee 1975a, b), que propusieron

el método racional de diseño que se presenta en las siguientes secciones.



27

4 20

CAPÍTULO CUATRO

Cimentaciones

superficiales:

Capacidad de carga


T

T BL 4 8

Asentamientos promedio admisibles

para diferentes tipos de edificiosa

Edificio con muros de ladrillo

L/HC 2.5 3

(80)

U SU

4

(100)

Edificio con muros de ladrillos reforzados con 6

concreto armado o ladrillos reforzados (150)

Edificio a base de marcos 4

(100)

Cimentaciones sólidas de concreto

12

reforzado de chimeneas, silos, torres, etc. (300)

Según Wahls (1981).

H =

altura del edificio

CIMENT CIÓN CORRID SOBRE SUELO GR NUL R

REFORZ DO CON TIR S METÁLIC S

Modo

de falla

La naturaleza de la falla por capacidad de carga de una cimentación superficial corrida

que descansa sobre una masa de suelo compacta y homogénea, se mostró en la figura

3.1a. En contraste, si se colocan capas de tiras de refuerzo o tirantes en el suelo bajo

una cimentación superficial corrida, la naturaleza de

la

falla

en la

masa del suelo será

como se muestra en la figura 4.36a, b y

c

El tipo de falla

en

la masa del suelo mostrada

en la

figura 4.36a ocurre generalmen-

te

cuando

la

primera capa de refuerzo

se

coloca a una profundidad,

d,

mayor que apro-

ximadamente B = ancho de

la

cimentación). Si los refuerzos

en

la primera capa

son fuertes y están suficientemente concentrados, pueden actuar como una base rígi-

da a una profundidad limitada. La capacidad de carga de cimentaciones

en

tales casos

se evalúa por la teoría presentada por Mande y Salencon (1972). Resultados experi-

mentales de laboratorio para la capacidad de carga de cimentaciones superficiales que

descansan sobre un estrato de arena con una base rígida a una profundidad limitada,

también fueron proporcionados por Meyerhof (1974), Pfeifle y Das (1979) y Das

(1981).

El tipo de falla mostrado en la figura 4.36b ocurre si d B

es

menor que aproxima-

damente y el número de capas de refuerzo,

N es

menor que 2 o 3 aproximadamente.

En este tipo de falla tiene lugar la extracción de los tirantes de refuerzo.

El efecto más benéfico de la tierra reforzada

se

obtiene cuando

d B

es

menor que

aproximadamente y el número de capas de refuerzo es mayor que 4 pero no mayor

que 6 o

7

En este caso, la masa de suelo falla cuando los tirantes superiores

se

rom-

pen (véase la figura 4.36c).



4.20 Cimentación

corrida

sobre suelo granular reforzado con tiras metálicas 27

a) d/B

>

2/3; cortante arriba del refuerzo

b) d/B < 2/3; N< 2 o 3 tirantes cortos;

zafadura de tirantes

e)

d/B <

2/3; tirantes largos y

N>

4;

ruptura de tirantes

superiores

Refuerzo

Refuerzo

T

FIGURA

4 36 Tres

modos

de falla

por capacidad

de carga

en tierra

armada dibujos según Binquet y Lee, 197Sb

ocalización de la

superficie

de falla

La figura 4.37 muestra una condición idealizada para el desarrollo de la superficie de

falla

en

el suelo para la condición mostrada

en

la figura 4.36c. Ésta consta de una zona

central zona

1

inmediatamente abajo de la cimentación, que

se

asienta junto con la ci-

mentación al aplicarse la carga. A cada lado de la zona 1 el suelo

es

empujado hacia

afuera hacia arriba;

esta

es

la zona

11.

Los puntos

A , , B

,

B B ,

que

definen las líneas límite entre las zonas

y

11 se obtienen considerando la distribución

del esfuerzo cortante

xz en

el suelo causada por la carga de la cimentación. El térmi-

no

xz

se refiere al esfuerzo cortante desarrollado a una profundidad

z

por debajo de la



7


de


Variación de

r cz

en z = z

1

z = z ~ ~ ~ ~

Refuerzo

Variación de

Txz

en

z=z

z

=

z

2

= R : e ~ f u e r z _ o

_ _ _ _ _ _

+.:-------- 1'--------; ; r----------- -------

Variación de r cz

ZONA JI_. .....--·

= z ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Refuerzo

2.0

1.5

xo 1.0

B

0.5

o

V

_ /

l 2

z B

b)

3 4

z

a)

Tensión

en

el refuerzo

Rodillos sin

fricción

Refuerzo

e)

FIGURA

4 37 Mecanismo de falla bajo una cimentación soportada por

tierra armada [parte b) según Binquet y Lee 1975b]

cimentación a una distancia

x

medida

desde

el

centro

de línea de la cimentación. Si

se

efectúa la integración de la ecuación

de

Bousinnesq, Txz queda dada

por

la relación

donde

4bqRxz

b

= medio ancho de la cimentación =B/2

B

=

ancho de la cimentación

qR

=

carga

por área

unitaria de la cimentación

4.68)

a variación

de

Txz a cualquier profundidad z se muestra

por

las líneas interrumpidas

en

la figura 4.37a.

os

puntos

A

1

y B

1

se refieren a los puntos

en que

el valor de

Txz es



4.20

Cimentación

corrida sobre suelo

granular

reforzado con tiras metálicas 73

máximo

enz =

z

1

•

Similarmente,A y

B se

refieren a los puntos en que

Txz

es máximo

en z = z

2

• Las distancias x = Xo en que el valor máximo de Txz ocurre, toma una forma

adimensional y

se

muestran en la figura 4.37b.

uerza inducida en los tirantes de refuerzo

Las hipótesis necesarias para obtener la fuerza

en

un tirante a cualquier profundidad

son las siguientes:

l Bajo la aplicación de la presión de carga por la cimentación, los tirantes de re-

fuerzo

en

los puntosA',A':A :

..

, y B',B':B ',... , toman la forma mostrada

en

la figura 4.37c. Es decir, los tirantes tienen dos dobleces en ángulo recto a ca-

da lado de la zona I alrededor de dos rodillos sin fricción.

2. Para N capas de refuerzo, la relación de la carga por área unitaria sobre la ci-

mentación soportada por tierra reforzada, qR, entre la carga por área unitaria

sobre la cimentación soportada por tierra sin refuerzo,

q '

es constante, inde-

pendientemente de la magnitud S del asentamiento (véase la figura 4.38). Bin-

quet y Lee (1975a) probaron esta relación en experimentos de laboratorio.

La figura 4.39a muestra una cimentación corrida soportada por suelo no reforzado y

sometida a una carga q

0

por área unitaria. Similarmente, la figura 4.39b muestra una ci-

mentación corrida soportada por una capa de suelo reforzado (una capa de refuerzo, o

N = 1

y sometida a una carga

qR

por área unitaria. (Debido a la simetría, sólo la mitad

de la cimentación se muestra en la figura 4.39). En ambos casos, es decir en las figu-

ras 4.39a y 4.39b, considere el asentamiento igual a Se. Para la mitad de cada cimenta-

ción en estudio, las siguientes son las fuerzas por unidad de longitud sobre un

elemento de suelo de espesor

M

localizado a una profundidad

z.

Caso

no

reforzado F

y F

2

son las fuerzas verticales y S

es la fuerza cortante. Por

lo tanto, por equilibrio,

Asentamiento,

s.

t< Con refuerzo;

/ . .número de

capas=

N

qR l)

qo l)

•

1

1

1

1

1

qR 2) qR 3)

qo 2)

qo(S)

•

•

1

1

1

1 1

1

1

1

1

1

1

Asentamiento,

s.

se 3)

FIGUR 4.38

Relación

entre

la carga

por área unitaria y

el

asentamiento para

cimentaciones que descansan sobre suelo reforzado y no reforzado



74

CAPÍTULO CUATRO Cimentac iones superficiales:

apacidad de


~ ~ X

1

Variación de

J qo)

a) Cimentación de suelo no reforzado

b) Cimentación de suelo reforzado una capa de refuerzo)

FIGURA

4 39

Obtención de la

Ec

4.87)



4 20 Ciment ación corrida sobre

suelo granular

reforzado con

tiras

metálicas

75

Refuerzo

N capas)

z

e) Cimentación sobre suelo reforzado N capas de refuerzo)

FIGURA 4.39 Continuación)

4.69)

Caso

reforzado Aquí,

3

F

4

son las fuerzas verticales, es

la

fuerza cortante

TCN=ll es la fuerza de tensión desarrollada en el refuerzo. La fuerza TCN=ll es vertical

debido a la hipótesis hecha para

la

deformación del refuerzo, como muestra

la

figura

4.37c. Entonces

4.70)

Si el asentamiento de la cimentación,

S

es el mismo en ambos casos,

4.71)

Restando la ecuación 4.69) de la 4.70) usando la relación dada en la ec. 4.71), se

obtiene

4.72)

Note que la fuerza

F1 es

causada por el esfuerzo vertical,

Ci

sobre el elemento de

suelo en consideración como resultado de la carga q sobre la cimentación. Similarmen-

te,

3

es

causada por el esfuerzo vertical impuesto sobre el elemento de suelo como

resultado de la carga qR Por lo tanto

4.73)



76

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de

carga y


4.74)

4.75)

4.76)

donde

CJ q

0

)

y

CJ qR)

son los esfuerzos verticales a una profundidad

z

causados por las

cargas

q

0

y

qR

sobre la cimentación

Txz

q

0

) y Txz qR) son los esfuerzos cortan tes a una profundidad

z

y a una distan

ciaX0 desde el centro de línea causados por las cargas

q

0

y qR

Integrando la solución de Boussinesq, se obtiene

qo [ z z

2hz x

2

- z

2

- b

2

)

J

J

qo) = - tan-1 - - b - tan-1 - - b - 2 2 b2)2 4b2 2

7T x - x+

x +z

-

z

4.77)

_ qR [ _

1

_z_ _ _

1

_z_

_

2bz(x

2

-

z

2

- b

2

) J

CJ(qR)- tan b tan b

2 2

b2)2

4

b 2

7T

x - x+ x z - z

4.78)

4.79)

4bqRXoz

2

Txz qR) = 7r[ X; z2 _

b2)2 4b2z2]

4.80)

donde b = B/2.

El procedimiento para la obtención de las ecuaciones 4.77) a la 4.80) no

se

pre

senta

aquí; para esto, vea un texto sobre mecánica de suelos por ejemplo, Das, 1997).

La sustitución apropiada de las ecuaciones 4.77) a la 4.80) en las ecuaciones 4.73)

a la

4.

76) y simplificando,

se

obtiene

F1 = A1qoB

F3 =

A1qRB

5

1

= A

2

q/ 1H

S

=

A2qRfl.H

dondeA1 y

Az = z/B).

4.81)

4.82)

4.83)

4.84)

Las variaciones

de

1

y A

2

con la profundidad adimensional z se dan en la figura 4.40.

Sustituyendo las ecuaciones 4.81)- 4.84)

en

la 4.72), resulta

Fr_N=l)

= AlqRB-

A¡q

0

B-

AzqRfl.H A2qofl.H

= A¡B(qR- q

0

A2flH(qR- qo)

=

qo( :

-1

A1B-

A2MI)

4.85)

Note que la derivación de la 4.85) se basó

en

la hipótesis de que hay sólo una capa de

refuerzo bajo la cimentación mostrada

en

la figura 4.39b. Sin embargo, si se tienen

N



4 21

4.21 Factor

de

seguridad para

tirantes

contra ruptura y

zafadura 77

0 4

. . ----- .----r---- .----

~ . . 0 . 2 1 - - ~ ~ - - - - - - - - - - - 1

r

o ~ - - - ~ ~ - - - - - ~ 2 - - - - - ~ 3 - - - - ~ 4

z B

T FIGURA 4 40 Variación de Av

A

2

y

A

3

con

z/B

según

Binquet y Lee, 197Sb)

capas de refuerzo bajo

la

cimentación con separación centro a centro igual a

MI

como

muestra la figura 4.39c, se hace la hipótesis de que

1 N=l)

1 ( \ ~

= ¡ ¡

Combinando las ecuaciones 4.85)

y

4.86), resulta

1 ,V)

= [ qo

( : ~ -

1 A1B AzAH ]

4.86)

4.87)

La unidad de

T M

en la ecuación 4.87) es de lb/pie

o

kN/m) por unidad de longitud

de cimentación.

F CTOR

DE

SEGURID D P R TIR NTES CONTR

RUPTUR

Y Z F DUR

Una vez que las fuerzas que se desarrollan

en

cada capa como resultado de la carga so-

bre la cimentación fueron calculadas con la ecuación 4.87), el ingeniero debe determi-

nar si los tirantes a cualquier profundidad

z

fallarán por

ruptura

o por

zafadura

El

factor de seguridad contra ruptura de un tirante a cualquier profundidad

z

debajo de la

cimentación se calcula con

wtn y

F S B ) = ~

.l N)

donde FS Bl

=

factor de seguridad contra ruptura

w

=

ancho de un solo tirante

t = espesor de cada tirante

n

= número de tirantes por longitud unitaria de cimentación

4.88)

y =

resistencia a la fluencia o a

la

ruptura del material de los tirantes



78


apacidad

de carga

y


El término wn

se define

como

la

razón de

densidad lineal, LDR,

por

lo que

[

t/y]

FS<Bl = TcN> LDR)

4.89)

La resistencia por zafadura del tirante se obtiene de la resistencia por fricción en-

tre el suelo y los

tirantes

a cualquier profundidad.

De

los principios fundamentales de

la estática,

sabemos

que

la fuerza

de

fricción

por

longitud unitaria

de

la cimentación

que se opone a la zafadura del

tirante

a cualquier profundidad z figura 4.41) es

FB =

2

tan l/>Jt[fuerza

normal]

=

2

tan l >Jt

[ LDR)

f ~ ) q R )

dx LDR)

/1 Lo

X,) z D

1

)]

1

Dos lados de Debido a

la

carga de

la

la

corbata cimentación

= F

es decir,

arriba

y

abajo)

donde y=

peso

específico del suelo

Debido

ala

presión efectiva de

sobrecarga

= F

¡

=

profundidad

de

la cimentación

lj>f l = ángulo de fricción tirante-suelo

4.90)

La relación para

)

qR) fue definida en la

ecuación

4. 78). El

valor

de x

=

La

se

su-

pone

generalmente como la

distancia

a la

que ) qR) es

igual a

O.lqR. El

valor

de

Lo

D ¡

~ 1 · ~ ~ ¡ ¡ ¡ . . .

X

r6

Refuerzo

¡ . . ---------L o-------- . . . ¡

z

f

FIGUR 4 41

Obtención de la

Ec

4.91)



4 22 Procedimiento de diseño

para

cimentaciones

corridas

sobre tierra

armada

79

4.5

4.0

3.0

1

l O

1

o

1

1

/

2

z/B

3

4

FIGUR

4.42

Variación de

La B

con z/B según

Binquet

y Lee, 197Sb)

como función de la profundidadz se da en la figura 4.42. La ecuación 4.90) se sim

plifica a

FE=

2

tan cp

LDR)

[

A

3

0

( ~ )

y

0

- X,) z D¡)]

4.91)

donde A

es una cantidad adimensional que se expresa como función de

la

profundidad

z/B) véase la figura 4.40)

El factor de seguridad contra zafadura del tirante, FScPl• es

F

4.92)

4 22

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

PARA CIMENTACIONES

CORRIDAS

SOBRE TIERRA

ARMADA

A continuación se da el procedimiento, paso a paso, para el diseño de una cimentación

corrida soportada por suelo granular reforzado con tiras metálicas:

l Obtenga la carga total a soportarse por unidad de longitud de cimentación. Ob

tenga también las cantidades

a.

Ángulo de fricción del suelo,

cp

b. Ángulo de fricción suelo-tirante, cp

c. Factor de seguridad contra falla por capacidad de carga

d.

Factor de seguridad contra ruptura del tirante, FScsJ



28

CAPÍTULO CUATRO Cimentaciones superficiales: Capacidad de

carga y


e. Factor de seguridad contra zafadura del tirante, FS P>

f.

Resistencia a la ruptura de los tirantes de refuerzo,¡;,

g. Peso específico del suelo, y

h. Módulo de elasticidad del suelo,

Es

1. Relación de Poisson del suelo, J s

J.

Asentamiento admisible de la cimentación,

Se

k.

Profundidad de la cimentación,

D

2. Suponga un ancho de cimentación, B y también

d

y

N

El valor de

d

debe ser

menor que También, la distancia del fondo de la cimentación a la capa más

baja de refuerzo debe ser de aproximadamente 2B o menor. Calcule MI

3. Suponga un valor

deLDR

4. Para el ancho B paso 2) determine la capacidad última de carga, qu, para suelo

sin refuerzo [ecuación 3.3); nota: e = 0]. Determine

qadm l):

q - qu

adm ll

-

FS contra falla por capacidad de carga

4.93)

5. Calcule la carga admisible qactm<z> con base en el asentamiento tolerable, S., su

poniendo que el suelo no está reforzado [ec. 4.32a)]:

Se =

B q ~ m Z ) 1 -

J.lf

a,.

S

Para LIB

=

oo el valor de a . puede tomarse igual a 2, o

qadm 2) =

B l

¡.iDa,.

Es Se

4.94)

La carga admisible para un asentamiento dado,

S.,

también

se

determina con

las ecuaciones que se refieren a las resistencias a la penetración estándar.)

6. Determine el menor de los dos valores de qactm obtenido de los pasos 4 y 5. El

menor valor de qactm

es

igual a qo.

7. Calcule la magnitud de qR para la cimentación soportada por la tierra armada:

_ carga sobre la cimentación por longitud unitaria

qR- B

4.95)

8.

Calcule la fuerza del tirante, T NJ• en cada capa de refuerzo usando la ecuación

4.87)

(nota:

unidad de

T NJ

en

kN/m de cimentación).

9. Calcule la resistencia por fricción de los tirantes

en

cada capa por longitud uni

taria de cimentación,

Fe,

usando la ecuación 4.91).

En

cada capa, determine si

Fe/T<NJ FS P>·

Si Fe T<NJ < FS P>• la longitud de las tiras de refuerzo para una



4.22 Procedimiento de diseño para cimentaciones corridas

sobre

tierra armada

28

capa debe incrementarse. Esto incrementará el valor de FE

y

de

FS<Pl

por lo

que la ecuación 4.91) debe reescribirse como

FB = 2 tan

< J

11

LDR)

[ A

Bqo ( ~ ) + y L - X,) z + D¡)]

4.96)

donde L = longitud requerida para obtener el valor deseado de FE

10.

Use

la ecuación 4.89) para obtener el espesor de tirante para cada capa. Algu-

na tolerancia debe considerarse para el efecto de la corrosión en el refuerzo

durante la vida de la estructura

11. Si el diseño no es satisfactorio, repita los pasos 2 al10

El siguiente ejemplo ilustra la aplicación de estos pasos.

T

EJEMPLO

4 10

Diseñe una cimentación corrida que sopor te una carga de 1.8 MN/m. Use los siguien-

tes parámetros:

Suelo:

y= 17.3 kN/m

3

; < J

=

35°; Es

=

3 X 10

4

kN/m

2

; Jls

=

0.35

Tirantes

de

refuerzo:

y=

2.5

X

10

5

kN/m

2;

< J

11

=

28°;

FS<El

=

3;

FS<Pl

=

2.5

Cimentación: D

= 1 m; factor de seguridad contra falla por capacidad de carga

= 3, asentamiento admisible =

Se

= 25 mm; vida deseada para la estructura =

50 años

Solución Sea

B= 1m

d

=

profundidad desde el fondo de la cimentación a la primera capa de refuerzo

= 0 5m

fl

= 0.5 m

N = 5

LDR

=

65

Si las tiras

de

refuerzo usadas son de 75 mm de ancho, entonces

wn

=LDR

o

=

LDR

=

0.65

= B

671

n

w 0.075 m · m

Por lo tanto, cada capa contendrá 8.67 tiras por metro de longitud de la cimentación.

eterminación de

Para una cimentación sin refuerzo

Qu = yD¡Nq ~ yBNy



8

CAPÍTULO CUATRO

Cimentaciones

superficiales:

Capacidad de

carga

y


De la tabla 3.4 para

l J =

35°, Nq

=

33.30 y Nr

=

48.03. Entonces

qu

=

17.3) 1) 33.3) 17.3) 1) 48.03)

=

576.09 415.46

=

991.55 992 kN/m

2

- lv:_ -

992 - 2

qadm l)

-

S

-

3 - 330.7 kN/m

De la ecuación 4.94)

= 30,000kN/m

2

) 0.025 m) =

427

.

35

kN/m

2

1 m) 1 - 0.35

2

) 2)

Como qadm l) < qadm 2)• qo = qadm l) = 330.7 kN/m

2

Determinación

de qR

De la ecuación 4.95),

1.8 MN/m 1.8 X 10

3

qR =

1.8 X 10

3

kN/m

2

B

1

Cálculo de la fuerza del tirante

De la ecuación 4.87),

Las fuerzas en los ti rantes en cada capa

se

dan en la siguiente tabla:

1

293.7

0.5

0.5

0.35

0.125

0.225

2

293.7

l. O

l. O

0.34 0.09 0.25

3 293.7 1.5 1.5

0.34 0.065 0.275

4 293.7 2.0 2.0

0.33 0.05 0.28

5 293.7 2.5 2.5

0.32 0.04 0.28

66.08

73.43

80.77

82.24

82.24

Nota: A

es

de

la

figura 4.40; B =1m; >.H= 0.5 m; A

2

es

de la figura 4.40; qRfqo = 1.8 X

10

3

/330.7 5.44

Cálculo

de la resistencia

del

tirante

debido a

la

fricción,

s

Use la ecuación 4.91):



4.22 Procedimiento de

diseño

para cimentaciones

corridas sobre

tierra

armada 83

FE=

2 tan

l (LDR)

[

A3Bqo

( ~ )

+ y Lo- x;,)(z + D¡)]

La siguiente tabla muestra la magnitud de

FB

para cada capa:

Número de capa

Cantidad

1

2

3

4

5

2 tan t / J ~ L D R ) 0.691 0.691

0.691

0.691 0.691

A3

0.125 0.14

0.15 0.15 0.15

A3Bqo qRJ Qo)

225.0

252.0

270.0 270.0 270.0

z m)

0.5 1.0

1.5 2.0 2.5

z/B

0.5 1.0

1.5 2.0

2.5

L

0

(m)

1.55 2.6

3.4 3.85

4.2

x;

m)

0.55 / 0 8 1.1

1.4 1.65

La-Xo m) l .

O 1.8 2.3

2.45 2.55

z

+

D

1

(m) 1.5 2.0

2.5

3.0 3.5

{(Lo- X

0

(z

+

D¡)

25.95 62.28 99.48 127.16 154.4

FB(kN/m)

173.4 217.2 255.1

274.4

293.3

FS p¡=

FB11 N)

2.62 2.96 3.16 3.34 3.57

Nota: A

3

es

de

la figura

4.40;

X, es

de

la figura 4.37;

L.

es

de

la

figura

4.42; 1 NJ es

de

la

tabla precedente.

El factor mínimo de seguridad es mayor que el valor requerido de FScPl• que es de 2.5.

Cálculo del

espesor

del

tirante para resistir la ruptura de

éste

De la ec. 4.89),

t ,

FScBJ

=

;:;:;--

(LDR)

.l N)

FS(B) 1 N)

t

= (LDR)(/y)

Aquí,

/y

= 2.5 x 10

5

kN/m

2

,

W R = 0.65 y FScBl = 3, por lo que

t= [ 2.5

X 3105) 0.65J 1 NJ = 1.846 X 1Q-5)1 NJ

Entonces, para la capa 1

t =

1.846 X 10-

5

) 66.08)

=

0.00122 m= 1 22 mm

Para la capa 2,

t = 1.846 X 10-

5

) 73.43) =0.00136 m = 1 36 mm



84

CAPÍTULO CUATRO

imentaciones

superficiales: apacidad

de

carga

y


Similarmente, para la capa 3

t

=0.00149

m

=

1 49

Para la capa 4

t

1 52

Para la capa 5

t

1 52

En cada capa, tirantes con espesor de 1.6 mm serán suficientes. Sin embargo, si se usa

acero galvanizado, la rapidez de la corrosión es aproximadamente de 0.025 mm/año,

por lo que t debe

ser

de 1.6 (0.025)(50) = 2 85 mm

Cálculo de la longitud mínima de los tirantes

La longitud mínima de los tirantes

en

cada capa debe

ser

igual a

2L

0

• La siguiente ta

bla

da

la longitud de los tirantes

en

cada capa:

· · · . . . l..éngitutt'

mlnrma

€ él tirar¡te . to

J ¡ ¡ ~ a Qq , ~ l ~ . , · · . ·

- ' • ' •

1

2

3

4

5

3.1

5.2

6.8

7.7

8.4

La figura 4.43 es un diagrama de

la

cimentación con los tirantes. El diseño

se

cam

bia variando B, d N y t:Jl para determinar la combinación más económica.

i lH

=

0 5m

L

0

= 3.1 m

0 5m

L

0

= 5.2 m

o >

m

l

L

0

=

6.8 m

0 5m

r

2Lo

=

7.70

m

0 5m

L

0

=

8.4

m

T FIGURA 4 43



4.22

Procedimiento de

diseño para

cimentaciones

corridas sobre

tierra armada

85

EJEMPL04 11

Refiérase al ejemplo 4.10. Para la carga dada, determine el ancho de

la

cimentación ne

cesaria para tierra sin refuerzo. Note que el factor de seguridad contra falla por capa

cidad de carga es 3

y

que el asentamiento admisible es de 25 mm.

Solución:

Consideración de la

capacidad

de

carga

Para una cimentación corrida,

Para l J = 35°, q = 33.3 y Ny = 48.03, por lo que

o

qadm = [ 17.3) 1) 33.3) + 17.3) B) 48.03)]

=

192.03 + 138.5B

Sin embargo,

1.8 X 10

3

kN

qadm = (B)(

1

)

Igualando los lados derechos de las ecuaciones a) y b)

se

obtiene

1800 -

+

B)

1

) - 192.03 138.5B

(a)

b)

Resolviendo la ecuación anterior

se

obtiene '

3

m, por lo que, con =

3

m, q dm =

600kN m

2

•

Consideración del asentamiento

Para un ángulo de fricción de l J = 35°, el número de penetración estándar promedio co

rregido es aproximadamente entre 10 y 15 ecuación 2.11). De la ecuación 4.53),

para e l valor superior, Ncor = 15,

=

9

N 3.28B + 1 )

2

1

+0.33Dr)

qadm •

cor 3

.28

para un asentamiento de 25 mm aproximadamente. Ahora

se

realizan algunos tanteos:



86


de


.

11 98N

(

3.288

+ 1

2

(

1

0 3301)

B

supuesta

q dm = · cor +

Q

= B) qadm)

rn) kN/rn

2

)

=Col

1 x Col. 2

1) 2) kN/rn)

6

9

Nota: D

1m

' 1800 kN/m requerida

209

199

1254

1791

Para

cor

= 15, el ancho de la cimentación debe ser de 9 m o mayor. En base a la con-

sideración de la falla por capacidad de carga y asentamiento tolerable, éste último cri-

terio gobernará, por lo que B es aproximadamente 9 m.

Nota:

Los resultados de

este

cálculo muestran que el uso de tierra armada para la

construcción de cimentaciones es deseable. Sin embargo, varios factores deben consi-

derarse antes de tomar una decisión final. Por ejemplo, la tierra armada requiere so-

breexcavación y relleno. Por consiguiente, bajo muchas circunstancias, la selección del

material y la compactación apropiadas hacen más económica la construcción de cimen-

taciones sobre suelos

no reforzados. A

PROBLEM S 4 1 Una superficie flexible circular está sometida a una carga uniformemente distribuida de

3000 lb/pies

2

• El

diámetro de la superficie cargada es de 9.5 pies.

Determine

el incremen-

to del esfuerzo en una masa de suelo en un punto localizado a 7.5 pies debajo del centro

de la superficie cargada.

4 2 Refiérase a la figura 4.5 que muestra una superficie flexible rectangular. Se dan: E

1

= 1.2

m,

E

2

= 3 m, L

1

= 3 m y

L

2

= 6 m. Si la superficie está sometida a una carga uniforme de

110 kN/m

2

,

determine

el incremento de esfuerzo a una profundidad de 8 m localizada in-

mediatamente debajo del punto O.

4 3

Resuelva el problema 4.2 con los siguientes datos:

E1 = 5 pies

B

2

= 10 pies

= 7 pies

_L ¿

=

12

pies

Carga uniforme sobre la .superficie flexible

=

2500 lb/pies

2

Determine

el incremento dé•esfuerzo bajo el punto O a una profundidad de

20

pies.

4 4 Usando la ecuación (4.10), dete rmine el incremento de esfuerzo

tJ.p) dez =O z

= 5 m

debajo del centro

de

la superficie descrita en el problema 4.2.

4 5 Usando la ecuación (4.10), de termine el incremento de esfuerzo

tJ.p) dez =O z

= 20

pies debajo del centro de la superfiCie descrita en el problema 4.3.

4 6

Refiérase a la figura P4.6. Usando el proced imiento delineado en la sección 4.5, determi -

ne el incremento promedio del esfuerzo

en

el estrato de arcilla bajo el centro de la cimen-

tación debido a la carga neta de la cimentación

de

900 kN.



50 ton

3

pies

·

·

Arena

=

100 lb/pies3

Nivel del

_ L ~ g u a ~ r e á t i c a

Arena

l

Ysat= 22 lb/pies3

T

FIGURA

P4 6

Problemas

87

4 7

Resuelva el problema 4.6 usando el método 2:1 [ecuación 4.14) y ecuación 4.43)].

4 8 La figura P4.8 muestra una carga de terraplén sobre una capa de suelo de arcilla limosa.

Determine el incremento de esfuerzo

en

los puntos

A

y C localizados a una profundi-

dad de 15 pies debajo de la superficie del terreno.

r 20 pies ¡

Línea central

1V:2H

y= 5 lb/pies

3

1

: : : ~ ? r / r : t : ~ r { · , : · : ? n \ \ ~ i \ · · : . ~ ~ · : } : { . l } { k r t ~ / : . < : : : Y ( : ) } · ) i . ; / : ; : - ; · r i \ / : ~ : r / ; :

1 1

1 5

pies

k g _ ~ l

T

FIGURA

P4 8

4 9 Resuelva el problema 4.2 usando la carta de Newmark.

4 10 Resuelva el problema 4.3 usando

la

carta de Newmark.



288


de


H

j

Arena limosa

-, ' ,

: · : . : ~ ~ ~ ~ ~

' \ , 1 ...

1

- - , , : \ ,

1 .

1

- - 1

:

..

Roca

T FIGURA

P4 11

4.11 Una superficie flexible cargada (figura P4.11) tiene

2m X 3m en

planta y soporta una

carga uniformemente distribuida de 210 kN/m

2

•

Estime el asentamiento elástico debajo

del centro de la superficie cargada. Suponga

D¡ =

O y

= =.

4.12 Resuelva el problema 4.11 suponiendo D¡

=

O y

=

4 m.

4.13

Refiérase a la figura 4.17. Una cimentación

de

10 pies X 6.5 pies

en

planta descansa so

bre un depósito de arena. La carga neta por área unitaria al nivel de la cimentación

qo es

de 3200 lb/pies

2

• Para la arena, f ls

=

0.3, Es

=

3200 lb/pulg

2

, D¡

=

2.95 pies y H

=

32

pies. Suponga que la cimentación es rígida y determine el asentamiento elástico que la

cimentación sufrirá. Use la ecuación (4.32a). Ignore el efecto de la profundidad de empo

tramiento.

4.14 Resuelva el problema 4.13 para los siguientes datos: dimensiones de 1.8 m X 1.8

m

qo

=

190 kN/m

2

, D¡

=

1m

=

15m J s

=

0.35, Es

=

16,500 kN/m

2

y y 16.5 kN/m

3

•

4.15

Refiérase a la figura 4.21. Una cimentación que mide 1.5 m X 3 m

está

soportada por ar

cilla saturada. Con los datos: Df

=

1.2 m

=

3 m

Es

(arcilla)

=

600 kN/m

2

y Q

0

=

150

kN/m

2

, determine el asentamiento elástico de la cimentación.

4.16 Resuelva el problema 4.13 con la ecuación (4.35). Para el factor de corrección, C

2

,

use

un tiempo de 5 años para el flujo plástico y para el peso específico, y del suelo,

use

110

lb/pies

3

•

Suponga una gráfica

lz

igual que para una cimentación cuadrada.

4.17 Resuelva el problema 4.14 con la ecuación (4.35). Para el factor de corrección, C

2

, use un

tiempo de 4 años para el flujo plástico.

4.18 Una cimentación corrida sobre un depósito de arena se muestra

en

la figura P4.18 junto

con la variación del módulo de elasticidad del suelo

Es).

Suponiendo y 115 lb/pies

3

y

C

2

= 10 años, calcule el asentamiento elástico de la cimentación usando el factor de in

fluencia de deformación unitaria.

4.19

Estime el asentamiento por consolidación del estrato de arcilla mostrado

en

la

figura

P4.6, usando los resul tados del problema 4.6.

4.20

Estime el asentamiento por consolidación del estrato de arcilla mostrado

en

la figura

P4.6, utilizando los resultados del problema 4.7.



Arena

q=4000 lb/pies

2

L . . L . - L - - L - ~ - 1 - - - - r - - - + E s lb/pulg

2

Es

=

875 lb/pulg

2

6

20

40

Profundidad pies)

Es

1740 lb/pulg

2

Es = 1450 lb/pulg

2

T

FIGURA

P4 18

Problemas 89

4 21 Los siguientes son los resultados de pruebas de penetración estándar en un depósito de

suelo granular:

·

..

Núm.ero

de

penetración

fjlrofunCl dad. {pies} · estándar de campo, N

5

10

15

20

25

11

10

12

9

14

a. Use la relación de Skempton dada

en

la tabla 2.4 para obtener

números

corregidos de

la penetración estándar. Use

r

115lb/pies

3

•

b. ¿Cuál

será

la capacidad de carga neta admisible de una cimentación de 5 pies X 5 pies

en planta? e dan: D

= 3 pies y asentamiento admisible = pulgada.

Use

las rela-

ciones presentadas en la sección 4.15.

4 22 Dos pruebas de placa de carga con placas cuadradas fueron realizadas en el campo. Para

un asentamiento de pulgada, los resultados fueron

12

24

8,070

25,800



29

REFERENCI S


¿Qué tamaño de zapata cuadrada se requiere para soportar una carga neta de 150,000 lb

con un asentamiento de 1 pulgada?

4.23 La figura 4.39c muestra una cimentación corrida sobre suelo reforzado. Aquí, B = 0.9

m; D

1

= 1

m;

número de capas de refuerzo,

N

=

5;

MI = 0.4

m.

Realice los cálculos ne

cesarios y trace las líneas en ambos lados de la cimentación que defina el punto de es

fuerzo cortante máximo Txz(máxl sobre los refuerzos.

4 24

Las fuerzas en los tirantes bajo una cimentación corrida están dadas por la ecuación

(4.87). Para la cimentación descrita

en

el problema 4.23,

Q

= 200 kN/m

2

y

qRiqo

= 4.5.

Determine las fuerzas en los tirantes TwJ en kN/m para cada capa de refuerzo.

4 25

Resuelva el problema 4.24 con

Q

0

=

300 kN/m

2

y qR/q

0

= 6.

4 26 Una cimentación corrida (véase

la

figura 4.39c) va a

ser

construida sobre tierra armada

para soportar una carga de 82.3 klb/pies. Use los siguientes parámetros:

Cimentación: B = 4 pies, D

1

= 2.6 pies, factor de seguridad contra falla por capacidad de

carga

=

3 y asentamiento tolerable

=

0.8 pulgada.

Suelo: y

116 lb/pies

3

, p = 37°, Es = 5200 lb/pulg

2

y

.4

= 0.30.

Refuerzo: MI = 1.3 pies, N = 5, LDR = 70 y ancho de tiras de refuerzo = 0.23 pie.

Calcule:

a. Número de tiras de refuerzo por pie de longitud de

la

cimentación

b. Carga admisible por área unitaria de

la

cimentación, q ' sin refuerzo

c. La tasa

qRiqo

d. Las fuerzas en los tirantes para cada capa de refuerzo bajo la cimentación (klb/pie)

4 27 Refiérase al problema 4.26. Para el refuerzo,¡;, = 38,000 lb/pulg

2

, l = 25°, factor de se

guridad contra ruptqra del tirante = 2.5 y factor de seguridad contra la zafadura del mis

mo

=

2.5. Calcule:

a Espesor mínimo de los tirantes necesario para resisti r la ruptura

b. Longitud mínima de los tirantes en cada capa de refuerzo

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01. Lectura Semanas 2