ESTUDIO GEOTÉCNICO PARA LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICIO DE DEPARTAMENTOS QUE SE CONSTRUIRÁ EN SIERRA MOJADA 535, COLONIA LOMAS DE CHAPULTEPEC, MÉXICO D.F.
INF 2010/469 Marzo de 2010
Estudio para: REPÚBLICA ARQUITECTOS.
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CONTENIDO 1.
INTRODUCCIÓN
2.
CONDICIONES GEOTÉCNICAS 2.1 2.2 2.3
3.
Información geológica y geotécnica Trabajos de exploración Interpretación estratigráfica
zonificación
ANÁLISIS Y DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN 3.1 3.2 3.3
Solución de cimentación Análisis de estabilidad Análisis de deformaciones
4.
REVISIÓN SEGÚN EL REGLAMENTO DE CONSTRUCCIONES PARA EL DISTRITO FEDERAL
5.
PROCEDIMIENTO COLINDANCIAS
6.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.
REFERENCIAS
CONSTRUCTIVO
ANEXO 1 TRABAJOS DE EXPLORACIÓN ANEXO 2 MEMORIA FOTOGRAFICA
Y
PROTECCION
DE
Lista de Figuras: 1. Esquema geológico general del Valle de México 2. Mapa geológico general del Valle de México México 3. Zonificación geotécnica geotécnica de la Ciudad de México México 4. Planta del predio y ubicación de trabajos de campo 5. Corte estratigráfico y solución de cimentación
1.
INTRODUCCIÓN
Antecedentes. REPÚBLICA ARQUITECTOS encargó un estudio de mecánica de suelos para el diseño de la cimentación de un edificio de departamentos de 8 niveles y 24 m de altura aproximadamente que se construirá en un predio de 840.6 m2 aproximadamente, localizado en Sierra Mojada 535, en la colonia Lomas de Chapultepec, de la ciudad de México. La planta baja se utilizará exclusivamente para accesos vehiculares y peatonales, vestíbulos y servicios. Actualmente existe un edificio en el predio con varios niveles hacia abajo del nivel de banqueta con un desnivel aproximado de 15 m.
Objetivos de este estudio. En base a la información obtenida de los trabajos de exploración, se determinarán las características de resistencia y deformabilidad para el diseño del tipo de cimentación más conveniente, definiendo la capacidad de carga admisible en condiciones estáticas y sísmicas, la profundidad de desplante y los asentamientos. También se incluyen las recomendaciones del procedimiento constructivo. Todo esto cumpliendo con las normas de construcción del Distrito Federal. 2.
CONDICIONES GEOTÉCNICAS DEL SITIO
2.1
Información geológica y zonificación geotécnica
Geología La cuenca del valle de México asemeja una enorme presa azolvada: la cortina , situada en el sur, está representada por los basaltos de la sierra del Chichinautzin, mientras que los rellenos del vaso están constituidos en su parte superior por arcillas lacustres y en su parte inferior por clásticos derivados de la acción de ríos, arroyos, glaciares y volcanes (Figs. 1). Todo material contenido en los depósitos de la cuenca del valle de México es directa o indirectamente de origen volcánico. De origen volcánico directo son, por ejemplo, las lavas del cerro de Chapultepec, Tepeyac y la sierra del Chichinautzin, como también las lavas, brechas, tezontles y cenizas del Peñón del Marqués, la sierra de Santa Catarina y el Pedregal de San Ángel. De origen volcánico indirecto se deben mencionar las acumulaciones de polvo eólico. En las regiones volcánicas abundan detritos finos derivados de cenizas volcánicas. El viento levanta este polvo y lo transporta a veces a grandes distancias; si el viento lo deposita en laderas durante períodos de 1
clima frío, se transforma en suelos inmaduros que con el transcurso del tiempo se convierten en tobas amarillas que tanto abundan en la zona de Lomas. Sin embargo, si se depositan en un lago, como en el antiguo vaso de Texcoco, sus partículas se hidratan transformándose en arcillas.
Figura1: Esquema geológico general del valle de México
Los depósitos de la planicie del valle de México son los que comúnmente se conocen como depósitos de Lago. Hay que señalar que ello solamente es válido y correcto para ciertos tiempos geológicos con condiciones climáticas que propiciaban la existencia de un lago. En la cuenca cerrada podía existir un lago cuando las lluvias superaban a la evapotranspiración, el que desaparecía cuando ésta superaba a las lluvias. Obviamente, el factor que dominaba dicho equilibrio era la temperatura ambiental: si el clima se enfriaba, se formaba un lago; si se calentaba, el lago disminuía y hasta desaparecía. Otras breves interrupciones fueron provocadas por violentas etapas de actividad volcánica que cubrieron toda la cuenca con mantos de arenas basálticas o pumíticas. Eventualmente, en los periodos de sequía ocurría también una erupción volcánica, formándose costras duras cubiertas por arenas volcánicas. El proceso descrito anteriormente formó una secuencia ordenada de estratos de arcilla blanda separados por lentes duros de limo, ceniza, arcillas arenosas, costras secas y arenas de origen piroclástico.
2
SITIO EN ESTUDIO SIERRA MOJADA 535
Figura 2: Mapa geológico general del valle de México
Zonificación geotécnica. De acuerdo con la zonificación geotécnica de la Ciudad de México, el predio se encuentra en la zona de Zona de lomas (Fig 2 y 3), esta zona se está formada serranías que limitan a la cuenca al poniente y al norte, además de los derrames del Xitle al sureste: en las sierras predominando tobas compactadas de cementación variable, depósitos de origen glacial y aluviones, eventualmente se encuentran rellenos no compactos, utilizados para nivelar terrenos cerca de las barrancas y tapar accesos y galerías de antiguas minas.
3
TB
TB
SITIO EN ESTUDIO SIERRA MOJADA 535
Figura 3. Zonificación geotécnica de la ciudad de México
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2.2
Trabajos de exploración
Para determinar las condiciones estratigráficas del sitio se realizaron 3 pozos a cielo abierto con extracción de muestras cúbicas inalteradas; la ejecución de sondeos de penetración estándar no fue posible realizarla en virtud de la existencia del edificio en el terreno y el desnivel que se presenta de 15 m, ya que esto no permite el acceso de ningún equipo para dicho fin.
Fotografía 1. Trabajos de exploración mediante excavación de pozo a cielo abierto (PCA)
Pozos a cielo abierto . Estos consisten en una excavación a cielo abierto
con herramienta manual, posteriormente en una de sus paredes se hace un levantamiento estratigráfico hasta la profundidad explorada para determinar el tipo de materiales que se tienen y su calidad, adicionalmente se inspecciona la pared que se tiene hacia la colindancia vecina para identificar el tipo de cimentación que se tiene y su desplante. La ubicación en planta de estos trabajos se muestra en la figura 4 y en el Anexo 1 se presentan los perfiles estratigráficos de los pozos. 2.3
Interpretación estratigrafía
Estratigrafía. Con los resultados de los trabajos de exploración
realizados, se tiene que en el lugar la estratigrafía está constituida por los 5
siguientes materiales (las profundidades que se reportan son a partir del nivel de terreno actual):
Relleno de 0.0 a 1.50 m. A esta profundidad se encontró un relleno que consiste de una arena fina con basura y desperdicios de material de construcción. Este relleno se encuentra en un estado suelto. Toba limo-arenosa a partir de 1.5 m. Está constituida por limos y arena fina a gruesa color café con algunas gravas andesíticas fracturadas. Este material es de alta resistencia y baja compresibilidad y se encuentra en estado compacto y cementado. De acuerdo a los resultados del recorrido e inspección geotécnica, realizados en la zona, no se detectaron indicios de existencia de cavernas. Nivel freático. No se detectó el nivel de aguas freáticas, debido a que en la
zona se encuentra a gran profundidad. Coeficiente sísmico. De acuerdo con la zonificación geotécnica del Valle de México, el sitio en estudio se localiza en la Zona I . El coeficiente sísmico que
deberá utilizarse para el diseño de las estructuras es igual a 0.16. Construcción existente
X
1
2 3 4
PCA-3
5
Construcción existente A
PCA-2
npt-9.96 npt -2.26
PCA-1
B
28.41
C
Construcción existente
X'
SI ERR A M
O O J AD A D
Pozo a cielo abierto (PCA) Cotas en metros
Figura 4. Planta del predio y ubicación de trabajos de campo 3.
ANÁLISIS Y DISEÑO GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN CI MENTACIÓN
3.1
Solución de cimentación 6
Solución de cimentación. En función de las condiciones estratigráficas del sitio y las características del proyecto, se plantea resolver la cimentación mediante zapatas aisladas bajo columnas y corridas bajo muros de carga. La cimentación estará desplantada 1.0 m mínimo empotrado en la toba (ver corte estratigráfico, figura 5). Carga del edificio. Para el análisis de estabilidad del edificio se consideró que tiene un peso estimado de 1.0 ton/m 2 por nivel y que la azotea pesa 0.5 ton/m2, con lo que resulta que el peso total del inmueble es de 9.0 ton/m2. En la figura 5 se muestra un corte con la estratigrafía del sitio y solución de cimentación. En el Anexo I se muestra el perfil estratigráfico de cada uno de los pozos.
npt+24.00
Zapatas de cimentación empotradas 1.0 m en la toba Construcción existente
PCA-1
PCA-3
npt+1.90
Sierra Mojada
Relleno
npt-1.10
Toba limo-arenosa
Pozo a cielo abierto (PCA) Cotas en metros
CORTE X-X'
Figura 5. Corte estratigráfico y solución de cimentación
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3.2
Análisis de estabilidad
Considerando la estratigrafía del sitio y el nivel de desplante de la cimentación de 2.0 m a partir del nivel de terreno existente, el análisis de capacidad de carga de la cimentación se hizo aplicando la siguiente expresión: qu
ac cN c
aq d ( N q 1) a
1 2
B N
(1)
capacidad de carga última, ton/m2. parámetro de cohesión, ton/m 2. esfuerzo efectivo a nivel de desplante, ton/m 2. d peso volumétrico del suelo, ton/m3 ancho del cimiento, (unitario). B factores de carga, adimensionales. N c c, N q q, N a c factores de forma, adimensionales. c , a q q, a
q u u c
Sustituyendo los valores correspondientes, resulta una capacidad de carga última del suelo de sustentación de 105 ton/m 2; aplicando un factor de seguridad de 3 para condiciones estáticas y 2 para condiciones sísmicas, se tiene una capacidad de carga admisible de 35.0 y 52.5 ton/m2, respectivamente. Cabe aclarar que esta capacidad de carga es calculada en base a la resistencia del suelo de cimentación. 3.3
Análisis de deformaciones
Los asentamientos que generará la cimentación en la masa de suelo, serán del tipo elástico y se calcularon utilizando la solución elástica para una placa rígida apoyada en un medio elástico semi-infinito, mediante la siguiente ecuación: =
(1 - 2 ) q B E
donde:
E B q
asentamiento bajo la cimentación, cm relación de Poisson, 0.25 módulo de elasticidad, kg/cm² semiancho del cimiento, cm carga media estática en la cimentación, kg/cm² factor de forma, 8
(2)
Sustituyendo los valores correspondientes para las zapatas, se tendrán asentamientos totales de 3 cm y se presentarán durante el proceso de construcción del inmueble. Es importante aclarar que no se tienen las cargas definitivas, por lo que este asentamiento puede variar si las cargas reales son mayores a las consideradas en este informe.
Estabilidad en taludes. Como se mencionó al inicio del informe, actualmente existe un edificio en el predio con varios niveles hacia abajo del nivel de banqueta con un desnivel aproximado de 15 m. Para analizar la estabilidad de los taludes se utilizó el método de Jambu, utilizando la expresión siguiente:
FS
c =
donde: c y tan φ
γ
H λcφ
q uq Ncf FS
N e c
m H
( H + q) tan uq c
(3) (4)
parámetros de resistencia a lo largo de la superficie de deslizamiento; cohesión y ángulo de fricción interna, respectivamente. peso volumétrico del suelo, t/m3 altura del talud, 15 m parámetro adimensional sobrecarga aplicada en el hombro del talud, 1.5 ton/m2 factor de reducción número de estabilidad que depende de λcφ
factor de seguridad
El talud contiene materiales limo arenosos compactados y se determinó el valor del factor de seguridad para las condiciones actuales en las que se encuentra (talud vertical), el cual arroja un valor aceptable, por lo tanto el talud es estable a mediano plazo .
Empujes horizontales en condiciones de reposo. Para mantener la estabilidad del talud a largo plazo, éste deberá confinarse con los muros de contención perimetrales de la estructura. Para el diseño estructural de estructuras enterradas, los empujes que se producirán sobre las paredes de 9
los muros serán para la condición de reposo. La distribución de éstos se determina aplicando la siguiente expresión: E 0
(5)
0.61 H 0.60
donde: E 0 0 H
distribución de presiones en reposo, ton/m 2 altura del muro, m
4. REVISION SEGUN EL REGLAMENTO DE CONSTRUCCIONES PARA EL DISTRITO FEDERAL
Estados límite de falla. La revisión de acuerdo con el Reglamento de Construcciones del D. F. (Ref. 4) para cimentaciones superficiales, exige que la suma de las cargas de la estructura afectadas por un factor de carga, resulte menor que la capacidad de carga última del terreno de sustentación afectada por un factor de resistencia, de acuerdo con las hipótesis propuestas resulta que esta condición se cumple satisfactoriamente. Estados límite de servicio. El buen funcionamiento de la cimentación y por ende de la estructura en conjunto, está limitado por las deformaciones verticales que se presentarán en el suelo durante la construcción y la vida útil de la edificación, por ello el Reglamento de Construcciones (Ref. 4), exige que los asentamientos tengan que ser menores a 15.0 cm en la colindancia con estructuras vecinas. Esta condición se cumple satisfactoriamente. 5.
PROCEDIMIENTO COLINDANCIAS
CONSTRUCTIVO
Y
PROTECCIÓN
A
La construcción de la cimentación será de acuerdo con las siguientes recomendaciones:
Cimentación a base de zapatas
Localización y trazo de las zapatas y área de planta baja.
Una vez realizado el trazo, se dará inicio con la excavación la cual se hará en una sola etapa y en donde las zapatas quedarán desplantadas con un empotre de 2.0 m de profundidad con respecto 10
al nivel de terreno existente. Se excavará hasta retirar el relleno existente. La excavación se podrá realizar con equipo mecánico hasta la profundidad de desplante. Los últimos 15 cm se realizarán con herramienta manual para evitar el remoldeo del suelo de apoyo y evitar asentamientos no considerados.
De acuerdo al proyecto estructural, a nivel de desplante de la cimentación, se procederá con la colocación de una plantilla de concreto pobre de 5.0 cm de espesor para proteger el desplante de las zapatas.
Habilitado, armado de acero de refuerzo, cimbrado y por último el colado de la cimentación, dejando las preparaciones necesarias para ligarla con la superestructura.
6.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El predio en estudio se localiza en Sierra Mojada 535, en la colonia Lomas de Chapultepec, de la ciudad de México.
El sitio en donde se construirá el edificio se encuentra dentro de la zona geotécnica denominada como Zona de Lomas ; en el sitio la estratigrafía está compuesta por un relleno de arena fina con basura y desperdicios de material de construcción de 0.0 m a 1.5 m, y una toba constituida por limos y arena fina a gruesa color café con algunas gravas andesíticas fracturadas, se encontró a partir de la profundidad de 1.5 m.
El nivel de agua no de detectó. De acuerdo con el lugar y la estratigrafía del sitio este se encuentra en la zona de lomas. El coeficiente sísmico que deberá utilizarse es de 0.16.
De acuerdo con las condiciones estratigráficas del sitio, colindancias y estructura proyectada, la solución de cimentación más conveniente será a base de zapatas aisladas en columnas y corridas en los muros de carga. Estas serán de concreto reforzado, desplantadas a 2.0 m de profundidad empotradas en suelo resistente con respecto al nivel terreno existente.
La capacidad de carga admisible del suelo de desplante de las zapatas es de 35.0 ton/m2 y 52.5 ton/m2 en condiciones estáticas y sísmicas respectivamente.
11
Las deformaciones del suelo serán de tipo elástico presentando un hundimiento de 3 cm en total, el cual es aceptable y se presentarán durante el proceso constructivo. Es importante aclarar que no se tienen las cargas definitivas, por lo que este asentamiento puede variar de lo estimado con las cargas consideradas por CIMANC, con las reales.
El procedimiento constructivo se presenta en el cuerpo del informe.
Ing. Jazmín Pérez Cuevas
Ing. Gabriel Palmerín P.
Ing. José Othón Marquina.
7.
REFERENCIAS
1. COVITUR. Manual de Diseño Geotécnico Volumen 1. DDF, Secretaría General de Obras, Agosto de 1987. 2. Normas técnicas complementarias para el diseño por sismo . Gaceta Oficial, Departamento del Distrito Federal, noviembre de 1987. 3. Holguín, Gutiérrez, et al. Diseño Geotécnico de Cimentaciones , Ed TGC Geotecnia (1992) 4. Normas técnicas complementarias para el diseño y construcción de cimentaciones . Gaceta Oficial, Departamento del Distrito Federal, noviembre de 1987.
12
ANEXO 1 TRABAJOS DE EXPLORACIÓN
POZOS A CIELO ABIERTO ABIERTO SIERRA MOJADA N° 535 Sierra Mojada N° 535, Col. Lomas de Chapultepec
PCA-1
2 .0 0 m
Relleno formado por arena limosa con gravas y raíces
Arena limosa color café con grava s azules, cementada
PCA-2
2 .0 0 m
Relleno formado por arena limosa con gravas y raíces
Arena limosa color café con grava s azules, cementada Arena fina color gris cementada c on gravillas
3
POZOS A CIELO ABIERTO ABIERTO SIERRA MOJADA N° 535 Sierra Mojada N° 535, Col. Lomas de Chapultepec
PCA-3
4 .0 0 m
Relleno formado por arena limosa arcillosa con fragmentos de concreto, tabique rojo, varillas y basura
Gravas con arena media color café con gravillas
Gravas con arena media color café con gravillas (con mas humedada)
3
ANEXO 2 MEMORIA FOTOGRÁFICA
Fotografía 1. Predio en estudio localizado en Sierra Mojada 535, Colonia Lomas de Chapultepec, México D.F.
Fotografía 2.Exploración del suelo mediante la excavación de pozos a cielo abierto (PCA).
Fotografía 3.Exploración del suelo mediante la excavación de pozos a cielo abierto (PCA).
