Cimentaciones Cimentacion es sobre suelos expansivos
Catedrático:
Dr. Ma. De la Luz Pérez Rea
Tarea: Resumen: Cimentaciones sobre suelos expansivos y modelación de cimentaciones
Alumna:
Pamela García Ramírez Santiago de Querétaro, Querétaro. 30 de Octubre de 2018
Tipos de cimentaciones utilizadas en suelos expansivos El objetivo de las cimentaciones es transmitir las cargas de la superestructura y el peso propio de ellas al terreno. Pero habrá que considerarle otras funciones igualmente importantes: proporcionarle apoyo a la estructura distribuyendo las descargas, considerando un factor de seguridad adecuado entre la estructura de la cimentación y el suelo, limitar los asentamientos totales y diferenciales con la finalidad de controlar los daños en la construcción y construcciones adjuntas; y mantener la posición vertical de la estructura entre las acciones. En el caso de las cimentaciones sobre suelos expansivos además de cumplir con lo anterior, dichos elementos estructurales deben ser diseñados para que soporten la acción expansiva del suelo; lo cual, conlleva consideraciones adicionales al diseño estructural tradicional de las cimentaciones.
Planearysituarlaconstrucción Pueden usarse tres tipos de soluciónpara reducir o para evitar los efectos de la expansión. Estos son: a) Aislar la estructura de los materiales expansivos b) Proyectar una estructura que soporte sin daño la expansión c) La eliminacion de la expansión
Se utilizan los tres procedimientos, ya sea asiladamente o en combinación. Las técnicas en uso en diferentes partes del mundo son pilas profundas y zapatas corridas, y en años mas recientes el suo de losas rígidas (tipo waffle o post-tensadas).
Cubiertaderellenoytrat Cubiertaderellenoytratamientod amientodelsuelo elsuelo La sustitucion de unos cuantos metros de lech de suelo expansivo con una cubierta de relleno estable compactado puede controlar el daño por medio de la eliminacion de la zona mas inestable y estabilizando el contenido de agua del suelo mas profundo. El riego irregular puede causar movimientos diferenciales aunque los efectos pueden ser mas tardados. La estratigrafia de los lechos arcillosos, el espesor del relleno, la permeabilidad, la expansividad, y el diseño estructiral son todos los factores a considerar en este acercamiento al diseño preventivo.
Cimentaciones espaciales a base de pilotes y utilizacion de relleno. La eliminacion de la expansion puede efectuarse en un principio de tres maneras: a) Humedecimiento del terreno previamente hasta que la humedad tenga un valor igual al de equilibrio. b) Tratando de que las cargas hacia abajo sean iguales o excedan las presiones producidas por la expansión o bien, c) Impidiendo la expansión químicamente.
El humedecimiento previo por inundación de la zona de construccion rara vez es efectivo, debido al largo tiempo que se necesita para la penetración de la humedad a cualquier profundidad grande, y por la falta de uniformidad de la penetración en condiciones de campo. No es recomendable y no se puede garantizar que la humedad alcanzada en al zona permanezca constante. Por ora parte, si se va a usar una arcilla potencialmente expansiva como relleno sobre todo el lugar de la obra, la compactación por medio de un equipo ligero, con una humedad superior a la óptima puede reducir mucho la expansión. El grado de compactación no debe exceder el 95% del máximo de la prueba Proctor estándar. Debe comprenderse, que en un terraplén construido de acuerdo con los requisitos tendrá una capacidad de carga relativamente baja. Tratar de contrarrestar las presiones de expansión con presión debajo de las unidades de la cimentación no es fácil; en parte debido a la relativa falta de seguridad de los métodos para evaluar y predecir la expasión. La estabilizacion química de los suelos expansivos por la adición de cal puede ser notablemente efctiva, sí la cal puede mezclarse íntimamente con el suelo y compactarse aproximadamente con la humedad óptima. El porcentaje adecuado, que usulamnete varía de 3 a 8, se determina por medio de pruebas para determinar el pH, según la norma ASTM-D6276-99ª, y se comprueba por
compactación, curado y ejecución de pruebas de muestras en el laboratorio. La cal tiene el efecto de reducir la plasticidad del suelo y, por lo tanto, su potencial de expansión.
Zapatasaisladas Zapatasaisladas Cuando el suelo tiene buena capacidad de carga, probablemente la cimentación requerida sea del tipo de zapatas aisladas. Este tipo de cimentación no se usa comúnmente sobre suelos expansivos, su uso debe estringirse a suelos que tengan menos del 1% de potencial expansivo y presiones de expansión muy bajas. Para hacer uso de esta técnica se realizan algunas modificaciones con el fin de incrementar el esfuerzo de contacto y minimizar la expansión del suelo. o
Disminuir el ancho de la base de la zapata
o
Colocar el muro de cimentación directamente sobre el terreno, sin zapata
o
Proveer de espacios vacíos entre las vigas de soporte y el muro para concentrar las cargas en puntos aislados
o
Incrementar el refuerzo en el perímetro y en los pisos para incrementar la rigidez de la cimentación.
Este tipo de cimentación puede usarse donde las capas superiores de los suelos expansivos son delgadas y además se puede alcanzar un estrato estable de suelo no expansivo, en el cual, se pueden colocar las zapatas. El uso de zapatas asiladas en suelos expansivos deberá ser restringida a suelos: o
Donde la capa rocosa o el estrato resistente es profundo y no puede ser alcanzado económicamente.
o
Donde los estratos superficiales de suelo tienen un potencial de expansión moderado, menor de 1%.
o
Que presenten presiones de expansiones bajas.
o
Y además la capacidad de carga de dichos estratos superficiales es relativamente alta.
Otro método usado para incrementar los esfuerzos de contacto, es la colocación de zapatas aisladas en varios puntos bajo los muros. Tiene la misma limitación que el anterior y su éxito se limita a la diminución de la expansión.
Debe tenerse cuidado en que la concentración de cargas sobre las zapatas no exceda la capacidad de carga del suelo. Las principales fuerzas que actúan en el mecanismo de la zapata y que por lo regular se consideran para el diseño de este tipo de cimentaciones son: 1.- Fuerzas contra el levantamiento: peso propio de la estructura, peso del suelo que sobreyace sobre la zapata y la cohesión desarrollada en el límite de la excavación. 2.- Fuerzas que producen el levantamiento: presión de expansión ejercida por el suelo.
Zapatascorridas Zapatascorridas Los métodos para zapatas corridas generalmente son derivados de propuestas para diseñar losas de cimentación y consiste básicamente en revisar los momentos flectores, las fuerzas cortantes y las deformaciones en el sentido largo de las zapatas. El empleo de zapatas corridas deberá limitarse a suelos con potencial de expansión menor de 1% y una presión de expansión menor a 15 ton/m2. Para asegurarse que se ejerce sobre el suelo una presión de carga muerta de cuando menos m enos 5 ton/m2, es necesario el empleo de zapatas tan angostas como sea posible. Es necesario conocer las dimensiones minimas permisibles por reglamento. Un método muy sencillo fue propuesto por Jennings (1950), donde las zapatas eran analizadas en el sentido largo y se consideraban dos condiciones. En la primera, un apoyo central en toda la zapata que simulaba el efecto de la expansión (fig 2.a); en el segundo, dos apoyos en los extremos que simulaban la condición de contracción del suelo (fig 2.b).
Fig 2. Método de Jennings. En ambos casos, el momento actuante sobre la cimentación es:
= 8 Donde:
= carga transmitida por los muros (constante)
= longitud de la zapata en el sentido largo = Coeficiente reductor del momento, que depende de la localidad y se ajusta por la experiencia
y cuyo valor puede estar entre 0.5 y 0.8. Jennings (cita) recomienda usar
= 0.7
Losasdecimentación Las losas de concreto reforzadas con contratrabes entrecruzadas en la parte inferior, han sido usadas exitosamente como cimentaciones sobre suelos expansivos de estructuras relativamente pesadas. Las losas de cimentación son un excelente sistema de cimentación en aáreas donde los basamentos son muy profundos o donde las condiciones de los suelos expansivos se extienden a gran profundidad, lo que hace que el empleo de pilotes sea extremadamente costoso. Las losas de cimentación pueden ser reforzadas o post-tensadas. Los procedimientos de diseño, básicamente consisten en la determinación del momento flector, la fuerza cortante y la deflexión, debidos a las cargas de la estructura y a los patrones de expansión del suelo.
Consideracionesdediseño El diseño de fosas de cimentación rígidas sobre suelos expansivos, se basa en el modelo de interacción suelo-estructura. Teóricamente, la fosa y la expansión del suelo se modelan como una superficie cargada o una viga que descansa sobre una cimentación elástica. En fa Figura 3a muestra m uestra fa deformación que ocurriría bajo una losa poco pesada sin ninguna carga aplicada (Nelson y Miffer, 1992). La deformación se caracteriza por fa máxima expansión en donde no existe ningún esfuerzo efectivo aplicado. El valor de
á
corresponde a la expansión libre en el
campo. La Figura 3b, muestra la deformación que resultaría si una losa de rigidez infinita con carga de la estructura, es colocada sobre el terreno. En este caso la deformación se caracteriza por el máximo valor
, el cual es menor que
á
. La distancia E, del paño de la losa hasta donde el suelo
hace contacto con la fosa es también necesaria para caracterizar la deformación.
Fig 3. Modelos de la interacción suelo - estructura para losas de cimentación. (Nelson (Nelson y Miller, 1992). Las situaciones 3a y 3b muestran los dos extremos del caso. En realidad la losa tiene flexibilidad por lo que la deformación real es un caso intermedio que se muestra en la Fig. 3c. El procedimiento de diseño consiste en predecir la forma del suelo deformado, el peso y la rigidez del suelo y de la losa. Considerando que la interacción suelo estructura permite determinar el cortante y los momentos flectores. El primer trabajo geotécnico para el diseño de una losa de cimentación, es definir el tamaño, la forma y propiedades de deformación de la superficie del suelo, que puede desarrollarse bajo la losa. Los parámetros de diseño para definir la deformación característica varían de acuerdo con el procedimiento de diseño seguido, a continuación se presentan dichos parámetros:
Expansión diferencial máxima (
)
, ,
Distancia al borde " variación de la humedad" ( )
Indice de soporte ( ) Constantes de la ecuación de la deformación ( Propiedades del suelo (
,, , , , ,
Condiciones climáticas (
)
)
)
El valor de
varía entre el 33 y el 100% de la
á
para suelo virgen (Holland.y Lawrence, 1980).
es la distancia del borde hacia adentro de la losa, en la cual ocurren los cambios de humedad
y representa la parte del suelo que se "desprende" de la losa. El índice de soporte C representa la proporción de la longitud de la losa que se encuentra en contacto con el suelo Y debe ser complementaria de E. De manera lógica L
= 2E+C
Métodosdediseño La mayoria de los métodos de diseño dividen la losa de cimentación en rectángulos y diseñan cada rectángulo independientemente. El objetivo es determinar la magnitud de los momentos flectores y las fuerzas cortantes que actuarán en la losa, cuando ésta trabaje en voladizo la distancia a ambos lados de la losa, cuando las expansiones del suelo se presenten. Tambien deben evaluarse E a las deflexiones que aparezacn bajo estas condiciones de carga y momento y comparar con las permisibles. Método de Lytton (1973)
El sistema para calcular el momento máximo en cada dirección del rectángulo se basa en la hipótesis de que el suelo y la cimentación sean rígidos y el suelo provee solo una línea de soporte. Él supuso tres tipos de carga actuante sobre la losa: cargas lineales actuando a lo largo del borde de la loa (P), carga lineal actuando sobre el centro de la losa (R) y una carga uniformemente distribuida (W ) resultado de las cargas muerta y viva interiores. El índice de soporte del suelo en el método de Lytton se basa en el módulo (k ) y la forma del suelo deformado. En general, el modelo de Lytton se basa en el modelo de Winkler. El momento máximo para el centro de la expansión se calcula para el análisis estructural de la carga y la reacción del suelo. El comportamiento se describe por medio de la ecuación diferencial:
∇ −∇− ∇ℎ∇ −− + −− Donde:
= rigidez a la flexión de la placa
= deflexión de la placa
ℎ
= rigidez al cortante del suelo de soporte
= elevación del suelo expandido, relativo a su punto más alto
= módulo de cimentación
= presión actuante
Con los momentos de diseño se pueden calcular las fuerzas cortantes y las deflexiones máximas. El procedimiento de Lytton está usualmente limitado a losas con una dimensión máxima de 26m.
= 4 ∆= 12 Donde
= módulo elástico del concreto
= momento de inercia de la sección de la losa = longitud efectiva que la losa “vuela” sobre el terreno =
Método de Swinburne
Este método está basado en el trabajo de Fraser y Wardle (1975) y posteriormente modificado por Holland et. al. (1980), después de un análisi exhaustivo y la observación directa del comportamiento de losas experimentales reales. Emplea el método del elemnto finito para modelar las losas como placas que descansan sobre un suelo elástico semiinfinito. El método de Swinburne hace uso de gráficas para calcular el momento de diseño y el peralte de la viga asumiendo valoes de expansión diferencial máxima (
, la distancia al borde ( E ), ), esfuerzo en el concreto y el número y
ancho de las vigas transversales. Las cartas de diseño pueden ser consultadas directamente del trabajo de Holland (1980), así como las deformaciones permisibles y las recomendaciones para el esfuerzo y el espaciamiento de las vigas. Método de Wray
Wray (1980) realizó un estudio de una placa apoyada en un semiespacio elástico para analizar el problema de la interacción suelo-estructura de una losa rígida construida sobre un suelo expansivo. Los resultados de su estudio se utilizaron para obtener ecuaciones de diseño para el Momento flector, la fuerza cortante y la deflexión diferencial para ambos modos de deformación:
levantamiento central y levantamiento en las orillas. Siendo éstas relaciones empíricas, se recomienda utilizar las unidades expresadas.
Fig. 4 Modo de interacción suelo-estructura de cimentación (Wray, 1980) La distancia desde el borde de la losa hasta el punto donde se presenta el momento máximo, se denomina “longitud de rigidez relativa” y se puede encontrar con:
= 121 √ Donde:
= longitud de rigidez relativa, (pies) = modulo de elasticidad del concreto, (lb/pulg2)
= módulo de elasticidad del suelo, (lb/pulg 2)
= momento de inercia de la sección transversal de la losa (pulg4)
Con un análisis de regresión de los datos y los resultados obtenidos por Wray (1980), se dedujo una ecuación para encontrar el momento máximo en la dirección larga para la primera condición de deformación (levantamiento en el centro)
= 7271 ...... Donde:
= longitu de la losa (pies)
= espaciamiento de las vigas de cimentación (pies) = peralte de la viga, medido desde la cara superior de la losa hasta el fondo de la viga (pulgadas) = carga perimetral (lbs/pie) = expansión máxima (pulgadas)
= distancia del borde (pies) = momento flector en la dirección longitudinal (kips-pie por pie)
La ecuación anterior predice bien el momento, excepto para las condiciones donde se presentan cargas perimetrales grandes y movimientos m ovimientos diferenciales diferenciales pequeñoa. Para tomar en cuenta estas dos últimas condiciones, Wray propone una ecuación modificada:
= . + Donde:
= 7271 ..... B y C son constantes, cuyo valor depende de E Para <=E<=5 pies: B=1, C=0 Para E>5 pie:
− 6133) (4 −3) = 3− ;1 = (8− 225−61 El momento en la dirección corta, viene dado por:
= [58+ 60 ]
La fuerza cortante máxima V , ocurre en la distancia y se calcula como sigue: Dirección larga
= 19401 ......
Dirección corta
= 13501 ...... Considerando la expansión en el borde, el análisis de regresión proporcionó las siguientes ecuaciones: Momento:
. . = 7.2..0.66 = . [19+ 57.75 ] Deflexión diferencial
∆= .15.900..... Cortante
. . . . . = 3. Método ISE-αexp
Pérez-Rea y Cabrera (2002) sugieren la utilización de un coeficiente de deformación volumétrica debido a la expansión, en algoritmos de interacción suelo-estructura de cimentación, a lo que denominan método ISE-αexp. Dicho coeficiente αexp se obtiene a partir de pruebas en el odómetro y toma en cuenta las condiciones iniciales de humedad de suelo. El método parte de la hipótesis de que la expansión por hidratación en el suelo se debe a un alivio de esfuerzos similar al que ocurre cuando un suelo se descarga. Solo que en este caso, el alivio de esfuerzos sigue un mecanismo de disminución de la succión por hidratación. Según datos de laboratorio, se puede considerar que el cambio en los esfuerzos internos del suelo es proporcional al cambio en la succión. Así, se puede determinar el valor del coeficiente αexp de manera análoga a como se obtiene el coeficiente α de deformación volumétrica por descarga del suelo que presenta
Zeevaert (1973) en su modelo de interacción suelo-estructura de cimentación.
Pilotes Se pueden construir pilotes colados in situ en aquellos lugares donde los problemas de expansión sean agudos, fabricándoles campanas en las puntas que funcionan como anclas en estratos de suelo que no están sujetos a movimientos estacionales importantes. El concreto con el que se rellenan las perforaciones se refuerza en toda su longitud, incluyendo el tramo de la campana, debido a que el suelo dentro de la capa activa, probablemente produzca un empuje hacia arriba y crea fuerzas de tensión en los pilotes. Los pilotes se unen con contratrabes de concreto reforzado, que a su vez, soportan toda la estructura, incluyendo los pisos. Como la presión del suelo expansivo contra el lecho inferior de las contratrabes, o los pisos, finalmente produce grandes fuerzas hacia arriba, se deben dejar dispositivos para evitar el contacto o para eliminar la transmisión de fuerzas de compresión cuando se produzca la expansión. Existen varios tipos de pilotes que se pueden construir cuando se tiene la presencia de suelos expansivos: o
Pilotes de fricción perforados a través de suelos expansivos, anclados por medio de campanas.
o
Pilotes que atraviesan estratos de suelo expansivo y acampanados en la parte inferior en un estrato estable para soportar una columna medianamente cargada y para proveer de anclaje.
o
Pilotes rectos largos, perforados hasta una zona estable donde no exista afectación alguna por parte de los cambios de humedad en áreas de suelos expansivos.
Los pilotes acampandos son usados en diferentes áreas, dependiendo de las condiciones del suelo, la profundidad del estrato rocoso y las condiciones del agua en el subsuelo. Los diámetros de los pilotes siempre deberán ser mayores a 30 cm y preferiblemente largos para que permitan una adecuada colocación del concreto a través de la longitud total. Estos pilotes deben tener como mínimo diámetro del fuste 45 o 60 cm para permitir la inspección de la perforación. La campana ideal deberá contar con un peralte mínimo de 15 cm (Nelson y Miller, 1992). Los taludes de la campana se forman típicamente con un ángulo entre 45º o 60º con la horizontal (Fig. 5)
Fig. 5 Pilote acampanado (Nelson y Miller, 1992) Se recomienda el uso de pilotes acampanados cuando por razones de economía estos deban estar desplantados dentro o en la profundidad de la zona activa, para proporcionar el anclaje necesario ante la presencia de las fuerzas extractivas del suelo expansivo. Bajo la profundidad de la zona activa, la campana no representa r epresenta una contribución importante a la resistencia a la extracción.
Consideracionesdediseño Deben considerarse dos criterios de diseño de pilotes en suelos expansivos: 1.- El movimiento hacia arriba de la parte superior del pilote y 2.- Las fuerzas de tensión desarrolladas en el mismo. Se considerarán dos casos diferentes para propósitos de establecer un criterio de diseño. Estos son llamados: el caso del pilote rígido, en el cual la deformación del pilote se considera como cero; y el caso del pilote elástico, en el cual el suelo y el pilote se consideran como elásticos (Nelson y Miller, 1992).
Fig. 6 Fuerzas que actúan en un pilote rígido embebido en un suelo expansivo (Nelson y Miller, 1992)
Sistemasreticulares Se propone un método aleatorio que mantiene la intención de aportar una solución aceptable a un problema cuya modelación formal sería de una gran complejidad. Este tipo de soluciones a pesar de sus deficiencias, representan ser una mejor solución con respecto a soluciones tradicionales en donde los análisis de la cimentación se llevan a cabo considerando una respuesta uniforme del suelo.
Metodologíatratamientobi-paramétricodeFilonenko-Borodish Dentro de los modelo simplificados para el tratamiento delproblema de interacción sueloestructura, sin duda, es el modelo de Winkler el cual considera la respuesta del suelo proporcional a su desplazamiento, el efecto cortante no es posible considerarlo. Una alternativa para tomarlo en cuenta, es a través de los modelos bi-paramétricos, entre ellos, el modelo de Filonenko-Borodish (Selvadurai, 1979). El modelo Filonenko-Borodish (Selvadurai, 1979) involucra la rigidez al corte del suelo, a través de considerar la cimentación apoyada sobre una membrana bajo tensión T. Esta tensión es representativa de la capacidad al cortante del medio.
El efecto de tensión es equivalente a un efecto de preesfuerzo sobre el elemento, y que es analizado bajo el tratamiento denominado esfuerzo por endurecimiento (stress stiffening) y que es un problema no lineal de grandes desplazamientos. Se acepta, para ciertos casos, un tratamiento iterativo lineal de pequeños desplazamientos y que será nuestro proceso. Bajo la técnica de elemento finito, el modelo discreto que asocia dicho efecto involucra la matriz [K1]. Esta matriz se denomina matriz de rigidez por endurecimiento de esfuerzos, o también conocida como Matriz Geométrica. Para una viga 2-D toma la forma:
El modelo discreto involucrando la tensión de membrana viene dado por la ecuación:
Siendo [B]: matriz de derivadas de funciones de forma; [ D]: matriz de constantes elásticas; [N]: matriz de funciones de forma; b x , by , bz , , fuerzas de cuerpo; p x, py, pz: presiones actuantes en la superficie del cuerpo; P x, Py, Pz: fuerzas puntuales aplicadas en los nodos del modelo discreto; k ; módulo de rigidez del suelo.
