Tema Cimentaciones Superficiales y Profundas

CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO DE FINAL:

CIMENTACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS PRESENTADO POR:

BACH. FLAVIO FUENTES GUIZADO DOCENTE:

ING. GUSTAVO ADOLFO AYBAR ARRIOLA

MODULO IV MECANICA DE SUELOS

I CURSO ESPECIAL DE TITULACIÓN EN INGENIERÍA CIVIL Abancay, Septiembre 2011

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS INDICE Presentación Introducción Objetivos Objetivos generales Objetivos específicos CAPITULO I 1 Definiciones generales: 1.1 cimentaciones: 1.1.1 definición: 1.2 tipos de cimentación: 1.2.1 cimentaciones superficiales.  Cimentaciones ciclópeas  Zapatas:  Losa de cimentación 1.2.2 cimentaciones semiprofundas. 1.2.3 cimentaciones profundas. 1.3 capacidad de carga de cimentaciones superficiales. 1.3.1.- tipos de fallas por capacidad de carga: 1.3.2.- teoría de la capacidad de carga de TERZAGUI: 1.3.3.- factores que afectan la capacidad de carga: CAPITULO II 2 cimentaciones superficiales 2.1 Introducción 2.2 Marco normativo. 2.2.1 definición 2.2.2 profundidad de cimentación 2.2.3 presión admisible 2.2.4 cimentación sobre rellenos 2.2.5 cargas excéntricas 2.2.6 cargas inclinadas 2.2.7 cimentaciones superficiales en taludes 2.3 Tipologías 2.3.1 zapatas aisladas o arriostradas 2.3.2 zapatas corridas rígidas 2.3.3 zapatas corridas flexibles. 2.3.4 losas. 2.4 Definiciones básicas. 2.4.1 qneta, Tensión total neta. 2.4.2 q’neta, Tensión efectiva neta 2.4.3 q’h, (qh) Tensión de hundimiento 2.4.4 q’adm, (qadm) Tensión admisible.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 2.4.5 q’adm, trabajo (qadm, trabajo) Tensión admisible de trabajo 2.4.6 Qtrabajo, Tensión de trabajo 2.4.7 Qtrabajo, Tensión de trabajo. 2.5 Condiciones Que Debe Cumplir La Cimentación. 2.5.1 Estabilidad global. 2.5.2 Estabilidad frente al hundimiento 2.5.3 Estabilidad frente al deslizamiento. 2.5.4 Estabilidad frente al vuelco. 2.5.5 Capacidad estructural del cimiento 2.6 Características De La Cimentación. 2.6.1 Configuración geométrica. 2.7 calculo analítico de la carga de hundimiento. 2.7.1 Formula Polinómica. 2.7.2 Coeficientes de capacidad de carga. 2.7.3 Coeficientes de Forma. 2.7.4 Coeficientes de Inclinación. 2.7.5 Influencia de las condiciones de agua sobre la Capacidad de carga con drenaje. 2.7.6 Nivel freático a profundidad dw > B. 2.7.7 Nivel freático a profundidad dw = 0. 2.7.8 Nivel freático en la superficie. 2.7.9 Régimen de filtración hacia la superficie del terreno. 2.7.10 Cargas admisibles en arenas en función del ensayo SPT. 2.7.11 Cargas admisibles en suelos cohesivos firmes y rocas. 2.8 Calculo De La Capacidad Portante A Corto Plazo. 2.8.1 El coeficiente de seguridad frente al hundimiento. 2.9 Normativa de Cimentaciones Superficiales. 2.9.1 Definición 2.9.2 Profundidad de cimentación 2.9.3 Presión admisible 2.9.4 Cimentación sobre rellenos 2.9.5 Rellenos Controlados o de Ingeniería 2.9.6 Rellenos no Controlados 2.9.6.1Cimentaciones superficiales 2.9.7 Cargas Excéntricas 2.9.8 Cargas Inclinadas 2.9.9 Cimentaciones superficiales en taludes BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 3

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 2.10 Ejemplos Prácticos CAPITULO III 3 Cimentaciones Profundas 3.1 Antecedentes 3.2 Manuales y Reglamentos Internacionales, utilizados para el desarrollo de Cimentaciones profundas. 3.3 Marco Histórico 3.3.1 Antecedentes 3.4 Marco Teórico 3.4.1 Generalidades 3.4.2 Factores que intervienen en las cimentaciones 3.4.3 Cimentaciones Profundas 3.4.4 Tipos de cimentaciones profundas 3.4.5 Clasificación de cimentaciones profundas 3.4.5.1 Clasificación según las dimensiones de la cimentación profunda. 3.4.5.2 Clasificación según el material de construcción. 3.4.5.3 Clasificación según el procedimiento constructivo. 3.4.5.4 Clasificación según la transmisión de carga al subsuelo. 3.4.6 Función de los pilotes 3.4.7 Etapas de la selección y elección del tipo de cimentación. 3.4.8 Pruebas preliminares en cimentaciones profundas 3.4.9 Desventajas que presentan los pilotes de concreto. 3.4.10 Ventajas en el uso de pilotes de concreto 3.5 Normativa E-050 Cimentaciones profundas 3.5.1 Definición 3.5.2 Cimentación por pilotes 3.5.2.1 Programa de exploración para pilotes 3.5.2.2 Estimación de la longitud y de la capacidad de carga del pilote. 3.5.2.3 Consideraciones en el cálculo de capacidad de carga. 3.5.2.4 Capacidad de carga del grupo de pilotes. 3.5.2.5 Espaciamiento de pilotes 3.5.2.6 Fricción negativa 3.5.2.7 Análisis del efecto de la fricción negativa. 3.5.2.8 Asentamientos. 3.5.2.9 Consideraciones durante la ejecución de la obra. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 4

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3.5.2.10 Ensayos diversos Adicionalmente a la prueba de carga. 3.5.3 Cimentación por Pilares. 3.5.3.1 Capacidad de carga. 3.5.3.2 Factor de seguridad. 3.5.3.3 Acompañamiento en la base del pilar. 3.5.3.4 Aflojamiento del suelo circundante 3.5.3.5 Asentamientos 3.5.3 Cajones De Cimentación. 3.5.4.1 Capacidad de carga 3.5.4.2 Factor de seguridad 3.5.4.3 Asentamientos 3.5 Ejercicios Prácticos CONCLUSIONES. BILBIOGRAFIA


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PRESENTACION: El presente trabajo se realiza por iniciativa del docente de curso de Mecánica de Suelos ING. GUSTAVO ADOLFO AYBAR ARRIOLA, El estudio de Cimentaciones Superficiales y Profundas aporta en nuestra formación profesional como Ing. Civiles, permite conocer a mayor profundidad la concepción, aplicación y normativas de las Cimentaciones Superficiales y Profundas, la relación que existe con el suelo y la estructura que se conoce esfuerzos aplicados que ha de soportar el suelo. ES así que desarrollaremos paso a paso la diferencia entre las cimentaciones superficiales y profundas y sus aplicaciones. Agradecido al docente por el desarrollo del presente por permitir ampliar nuestros conocimientos, así mismo el presente trabajo sea material de consulta para los estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil.


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INTRODUCCIÓN: La ingeniería de cimentaciones puede definirse como el arte de transmitir de manera económica cargas estructurales al terreno, de forma que no se produzcan asentamientos excesivos. Cuando se diseñan cimentaciones ya sean estas superficiales o profundas hay que tener en cuenta lo siguiente: tipo de suelo (cohesivo, granular, granular con finos, de alta o baja plasticidad), variación de estratos, consistencia (blanda, media, dura), las propiedades físicas y mecánicas (cohesión, ángulo de fricción interna, índice de compresión, módulo de elasticidad, coeficiente de balasto), ubicación del nivel freático, subpresión de agua, empuje de agua sobre la subestructura y superestructura, socavación, erosión eólica e hidráulica, empuje, expansión y licuación del suelo, profundidad de cimentación, capacidad portante por resistencia, capacidad portante por asentamiento máximo permisible, esfuerzo neto, asentamientos diferenciales, totales y rotaciones, agentes agresivos (sales, cloruros, sulfatos), fuerza expansiva del suelo, estabilidad del talud de la excavación, procedimiento de construcción, especificaciones del Reglamento Nacional de Edificaciones, ACI, Eurocódigo, efecto de fenómenos naturales como inundaciones, sismos, Peligro de derrumbes y daños, que va a representar la excavación de la cimentación propuesta. Sólo si conocemos esto procedemos a diseñar la cimentación y determinar si esta será superficial o profunda., en caso contrario el diseñador se convierte en un peligro público. “No hay gloria en las cimentaciones”, dijo el Dr. Terzagui, pero si repudio para el ingeniero si falla una edificación. Queda claro que las condiciones del suelo sobre el que se apoya la estructura, y los parámetros geotécnicos del mismo, afectan el diseño de las cimentaciones. Así mismo se debe de tener muy encueta el estudio y conocimiento de las normas y sus aplicaciones en el ejercicio profesional. El docente del curso con el presente estudio nos permite investigar sobre las cimentaciones superficiales teniendo en cuenta el estudio de las Normativas E_050, sus aplicaciones así mismo los conceptos de las cimentaciones superficiales y profundas. Que desarrollaremos más adelante en el presente trabajo. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 7

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OBJETIVOS: OBJETIVOS GENERALES: El objetivo del presente trabajo tiene como finalidad definir que la cimentación constituye el elemento intermedio que permite transmitir las cargas que soporte una estructura al suelo subyacente, de modo que no rebase la capacidad portante del suelo, y que las deformaciones producidas en éste sean admisibles para la estructura. Por tanto, para realizar una correcta cimentación habrá que tener en cuenta las características geotécnicas del suelo y además dimensionar el propio cimiento como elemento de hormigón, de modo que sea suficientemente resistente. El objetivo de la cimentación es sustentar la estructura del edificio dando garantía a la estabilidad e intentando evitar daños a los materiales estructurales y no estructurales. Para el cual tenemos cimentaciones superficiales y profundas. OBJETIVOS ESPECIFICOS: -

Definir y aplicar la utilización de las Cimentaciones Superficiales que son aquellas que se apoyan en las capas superficiales del suelo, las cuales soportan la carga por medio de la ampliación de base. Los materiales más utilizados en la construcción de Cimentaciones Superficiales son las Piedras Naturales y el Hormigón Armado. En el presente llegaremos a desarrollar las normativas y sus aplicaciones.

-

Cuando una estructura transmite sus cargas al terreno a través de la cimentación, se producen inevitablemente deformaciones (fundamentalmente asientos). El arte de cimentar consiste pues en obtener, a la vista de las características tanto del terreno como de la estructura, las condiciones más favorables de apoyo, de manera que los asientos no resulten perjudiciales.

-

Definir y aplicar la utilización de Cimentaciones Profundas aquellas que transmiten la carga al suelo por presión bajo su base, pero que además pueden contar con rozamiento en el fuste.


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Cuando el peso de un edificio es excesivo, y el terreno es incapaz de soportarlo, puede recurrirse a dos tipos distintos de cimentaciones profundas: Muros Pantalla: son muros verticales profundos que soportan las presiones del terreno. Pilotes: son elementos puntuales que se hincan en el suelo trasmitiendo las cargas a estratos más profundos y resistentes.


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CAPITULO I

2 Definiciones Generales: 1.1 CIMENTACIONES: 1.1.1. DEFINICIÓN: La parte inferior de una estructura se denomina generalmente cimentación, su función es transferir la carga de la estructura al suelo en que esta descansa. Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación al suelo. Transferir la carga a través del suelo sin sobre_ esforzar a éste.

Asentamiento Excesivo.

Falla cortante del Suelo.

Daños a la Estructura


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 1.2.- TIPOS DE CIMENTACION: 1.2.1.- Cimentaciones Superficiales. Son superficiales cuando transmiten la carga al suelo por presión bajo su base sin rozamientos laterales de ningún tipo. Un cimiento es superficial cuando su anchura es igual o mayor que su profundidad. Engloban las zapatas en general y las losas de cimentación. Los distintos tipos de cimentación superficial dependen de las cargas que sobre ellas recaen; son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y relativamente livianas. En este tipo de cimentación, la carga se reparte en un plano de apoyo horizontal. Y tenemos:  Cimentaciones ciclópeas.- En terrenos cohesivos donde la zanja pueda hacerse con paramentos verticales y sin desprendimientos de tierra, el cimiento de concreto ciclópeo (hormigón) es sencillo y económico. El procedimiento para su construcción consiste en ir vaciando dentro de la zanja piedras de diferentes tamaños al tiempo que se vierte la mezcla de concreto en proporción 1:3:5, procurando mezclar perfectamente el concreto con las piedras, de tal forma que se evite la continuidad en sus juntas. Este es un sistema que ha quedado prácticamente en desuso, se usaba en construcciones con cargas poco importantes. El hormigón ciclópeo se realiza añadiendo piedras más o menos grandes a medida que se va hormigonado para economizar material. Utilizando este sistema, se puede emplear piedra más pequeña que en los cimientos de mampostería hormigonada. La técnica del hormigón ciclópeo consiste en lanzar las piedras desde el punto más alto de la zanja sobre el hormigón en masa, que se depositará en el cimiento. Precauciones. -

Tratar que las piedras no estén en contacto con la pared de la zanja. Que las piedras no queden amontonadas. Alternar en capas el hormigón y las piedras. Cada piedra debe quedar totalmente envuelta por el hormigón.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS  Zapatas:  Zapatas aislada.-Reciben cargas puntuales, ejemplo columnas. Las zapatas aisladas son un tipo de cimentación superficial que sirve de base de elementos estructurales puntuales como son los pilares; de modo que esta zapata amplía la superficie de apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin problemas la carga que le transmite. El término zapata aislada se debe a que se usa para asentar un único pilar, de ahí el nombre de aislada. Es el tipo de zapata más simple, aunque cuando el momento flector en la base del pilar es excesivo no son adecuadas y en su lugar deben emplearse zapatas combinadas o zapatas corridas en las que se asienten más de un pilar. La zapata aislada no necesita junta pues al estar empotrada en el terreno no se ve afectada por los cambios térmicos, aunque en las estructuras sí que es normal además de aconsejable poner una junta cada 30 m aproximadamente, en estos casos la zapata se calcula como si sobre ella solo recayese un único pilar. Una variante de la zapata aislada aparece en edificios con junta de dilatación y en este caso se denomina "zapata ajo pilar en junta de diapasón". En el cálculo de las presiones ejercidas por la zapata debe tenerse en cuenta además del peso del edificio y las sobrecargas, el peso de la propia zapata y de las tierras que descansan sobre sus vuelos, estas dos últimas cargas tienen un efecto desfavorable respecto al hundimiento. Por otra parte en el cálculo de vuelco, donde el peso propio de la zapata y las tierras sobre ellas tienen un efecto favorable. Para construir una zapata aislada deben independizarse los cimientos y las estructuras de los edificios ubicados en terrenos de naturaleza heterogénea, o con discontinuidades, para que las diferentes partes del edificio tengan cimentaciones estables. Conviene que las instalaciones del edificio estén sobre el plano de los cimientos, sin cortar zapatas ni riostras. Para todo tipo de zapata, el plano de apoyo de la misma debe quedar empotrado 1 dm BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 12

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS en el estrato del terreno. La profundidad del plano de apoyo se fija basándose en el informe geotécnico, sin alterar el comportamiento del terreno bajo el cimiento, a causa de las variaciones del nivel freático o por posibles riesgos debidos a las heladas. Es conveniente llegar a una profundidad mínima por debajo de la cota superficial de 50 u 80 cm. en aquellas zonas afectadas por estas variables. En el caso en que el edificio tenga una junta estructural con soporte duplicado (dos pilares), se efectúa una sola zapata para los dos soportes. Conviene utilizar hormigón de consistencia plástica, con áridos de tamaño alrededor de 40 mm. En la ejecución, y antes de echar el hormigón, disponer en el fondo una capa de hormigón pobre de aproximadamente 5 cm de espesor (emplantillado), antes de colocar las armaduras.  Zapata Combinada.- Cuando se solapan dos o más zapatas. Una zapata combinada es un elemento que sirve de cimentación para dos o más pilares. En principio las zapatas aisladas sacan provecho de que diferentes pilares tienen diferentes momentos flectores. Si estos se combinan en un único elemento de cimentación, el resultado puede ser un elemento más estabilizado y sometido a un menor momento resultante.  Zapata Continua.- reciben cargas lineales de paredes. Las zapatas corridas se emplean para cimentar muros portantes, o hileras de pilares. Estructuralmente funcionan como viga flotante que recibe cargas lineales o puntuales separadas. Son cimentaciones de gran longitud en comparación con su sección transversal. Las zapatas corridas están indicadas como cimentación de un elemento estructural longitudinalmente continuo, como un muro, en el que pretendemos los asientos en el terreno. También este tipo de cimentación hace de arriostramiento, puede reducir la presión sobre el terreno y puede puentear BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 13

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS defectos y heterogeneidades en el terreno. Otro caso en el que resultan útiles es cuando se requerirían muchas zapatas aisladas próximas, resultando más sencillo realizar una zapata corrida. Las zapatas corridas se aplican normalmente a muros. Pueden tener sección rectangular, escalonada o estrechada cónicamente. Sus dimensiones están en relación con la carga que han de soportar, la resistencia a la compresión del material y la presión admisible sobre el terreno. Por practicidad se adopta una altura mínima para los cimientos de hormigón de 3 dm aproximadamente. Si las alturas son mayores se les da una forma escalonada teniendo en cuenta el ángulo de reparto de las presiones. En el caso de que la tierra tendiese a desmoronarse o el cimiento deba escalonarse, se utilizarán encofrados. Si los cimientos se realizan en hormigón apisonado, pueden hormigonarse sin necesidad de los mismos. Si los trabajos de cimentación debieran interrumpirse, se recomienda cortar en escalones la junta vertical para lograr una correcta unión con el tramo siguiente. Asimismo colocar unos hierros de armadura reforzará esta unión. Las Zapatas Corridas son, según el Código Técnico de la Edificación (CTE), aquellas zapatas que recogen más de tres pilares. Las considera así distintas a las zapatas combinadas, que son aquellas que recogen dos pilares. Esta distinción es objeto de debate puesto que una zapata combinada puede soportar perfectamente tres pilares.  Losa de Cimentación.- En casos de altas cargas en relación al soporte del suelo, se utilizan de asiento común a toda la estructura. Una losa de cimentación es una placa flotante apoyada directamente sobre el terreno. Como losa está sometida principalmente a esfuerzos de flexión. El espesor de la losa será proporcional a los momentos flectores actuantes BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 14

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sobre la misma. La relación entre el espesor de la losa, los momentos flectores de la placa, las cargas exteriores y las propiedades elásticas del hormigón de la losa viene dada por la siguiente expresión:

  Donde:  momentos flectores direcciones x e y.  constantes elásticas del hormigón. 

en

las

carga superficial efectiva en cada punto en la cara superior de la losa.

 

el coeficiente de balasto del terreno bajo la losa. el descenso vertical en cada punto de la losa. Condición para definir Cimentaciones Superficiales

Grafico de Zapatas por Tipo.


CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 1.2.2.- Cimentaciones Semiprofundas.  Pozos de cimentación o caissons: Son en realidad soluciones intermedias entre las superficiales y las profundas, por lo que en ocasiones se catalogan como semiprofundas. Algunas veces estos deben hacerse bajo agua, cuando no puede desviarse el río, en ese caso se trabaja en cámaras presurizadas.  Arcos de ladrillo sobre machones de hormigón o mampostería.  Muros de contención bajo rasante: no es necesario anclar el muro al terreno.  Micropilotes, son una variante basada en la misma idea del pilotaje, que frecuentemente constituyen una cimentación semiprofunda. 1.2.3.- Cimentaciones Profundas. Se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las cargas aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno. Por eso deben ser más profundas, para poder proveer sobre una gran área sobre la que distribuir un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en cimentaciones profundas son:  Pilotes: son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno (pilotes de extracción ejecutados in situ). Antiguamente eran de madera, hasta que en los años 1940 comenzó a emplearse el hormigón.  Pantallas: es necesario anclar el muro al terreno.  pantallas isostáticas: con una línea de anclajes.  pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.

Se usan para estructuras más pesadas cuando se requiere gran profundidad para soportar la carga.


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 Pilotes:

- Pilotes de fricción. - Pilotes de Punta. - Pilotes combinados.

Los Pilotes.- Son miembros estructurales hechos de madera, concreto y acero, que transmiten la carga de la superestructura a los estratos inferiores del suelo.  Pilotes de Fricción: La carga de la superestructura es soportada por los esfuerzos cortantes generados a lo largo de la superficie lateral del pilote.  Pilotes de Punta a un estrato firme.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 1.3.- Capacidad de Carga de Cimentaciones Superficiales. Cuando una fundación Produce carga al subsuelo se producen asentamientos y, si la carga se incrementa lo suficiente, se forman en el suelo superficies de deslizamiento, a lo largo de las cuales se sobrepasa la resistencia al esfuerzo cortante y finalmente se produce un colapso o falla por capacidad de carga. 1.3.1.- Tipos de fallas por capacidad de carga: 1.- Falla general por corte (Terzagui 1943): Patrón de falla bien definido, cuña de suelo y dos superficies de deslizamiento. La superficie del terreno a la zapata se levanta y puede rotar (inclinándose). La falla es violenta y catastrófica. Generalmente ocurre en suelo “incompresibles”- suelos granulares densos y cohesivos de consistencia dura a rígida. 2.- Falla local por corte (Terzagui 1943, De Beer y Vesic, 1958). Patrón de falla solo está bien definido debajo de la zapata. Tendencia visible a levantamiento del terreno alrededor de la zapata. No se producirá un colapso catastrófico de la zapata ni una rotación de la misma. Constituye un modo transicional entre falla general y falla por punzonamiento. 3.- Falla por corte Punzonado (De Beer y Vesic, 1958; Vesic, 1963). Patrón de falla en este caso no es fácil de observar “a medida que se incrementa la carga, se comprime el suelo inmediatamente debajo de la zapata produciendo desplazamiento vertical”. El Suelo fuera del área permanece prácticamente inalterado y no se produce rotación. La fundación se asientan mediante pequeños movimientos verticales repentinos. Se produce en arenas muy sueltas o en suelos cohesivos blandos o muy blandos.


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Se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las cargas aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno. Por eso deben ser más profundas, para poder proveer sobre una gran área sobre la que distribuir un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en cimentaciones profundas son: 1.3.2.- Teoría de la Capacidad de carga de TERZAGUI: Terzagui en 1943, Una cimentación es superficial si la profundidad Df, es menor o igual al ancho de la misma.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS ZONA I.- Zona triangular inmediatamente debajo de la cimentación. “Zona que se acuña, con estado de equilibrio elástico”. ZONA II.- Zona de cortante radial “Zona rotatoria”, en las que las curvas DE y DE, son arcos de una espiral logarítmica “estado plástico de Prandtl”. ZONA III.- Zona pasiva de Rankine Triangulares.


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1.3.3.- Factores que afectan la capacidad de carga: 1.2.3.4.-

La profundad de la cimentación. El nivel Freático. Angulo de Fricción interna. Estratificación del suelo.


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CAPITULO II 2 CIMENTACIONES SUPERFICIALES 2.1 Introducción La ingeniería de cimentaciones puede definirse como el arte de transmitir de manera económica cargas estructurales al terreno, de forma que no se produzcan asentamientos excesivos. Cuando una estructura transmite sus cargas al terreno a través de la cimentación, se producen inevitablemente deformaciones (fundamentalmente asientos). El arte de cimentar consiste pues en obtener, a la vista de las características tanto del terreno como de la estructura, las condiciones más favorables de apoyo, de manera que los asientos no resulten perjudiciales. 2.2 MARCO NORMATIVO. 2.2.1 DEFINICIÓN Son aquellas en las cuales la relación Profundidad / ancho (Df/B) es menor o igual a cinco (5), siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma. Son cimentaciones superficiales las zapatas aisladas, conectadas y combinadas; las cimentaciones continuas (cimientos corridos) y las plateas de cimentación 2.2.2 PROFUNDIDAD DE CIMENTACIÓN La profundidad de cimentación de zapatas y cimientos corridos, es la distancia desde el nivel de la superficie del terreno a la base de la cimentación, excepto en el caso de edificaciones con sótano, en que la profundidad de cimentación estará referida al nivel del piso del sótano. En el caso de plateas o losas de cimentación la profundidad será la distancia del fondo de la losa a la superficie del terreno natural. La profundidad de cimentación quedará definida por el PR y estará condicionada a cambios de volumen por humedecimiento-secado, hielodeshielo o condiciones BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 23

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS particulares de uso de la estructura, no debiendo ser menor de 0,80 m en el caso de zapatas y cimientos corridos. Las plateas de cimentación deben ser losas rígidas de concreto armado, con acero en dos direcciones y deberán llevar una viga perimetral de concreto armado cimentado a una profundidad mínima de 0,40 m, medida desde la superficie del terreno o desde el piso terminado, la que sea menor. El espesor de la losa y el peralte de la viga perimetral serán determinados por el Profesional Responsable de las estructuras, para garantizar la rigidez de la cimentación. Si para una estructura se plantean varias profundidades de cimentación, deben determinarse la carga admisible y el asentamiento diferencial para cada caso. Deben evitarse la interacción entre las zonas de influencia de los cimientos adyacentes, de lo contrario será necesario tenerla en cuenta en el dimensionamiento de los nuevos cimientos. Cuando una cimentación quede por debajo de una cimentación vecina existente, el PR deberá analizar el requerimiento de calzar la cimentación vecina según lo indicado en las Secciones 6.5.6 y 6.5.7. No debe cimentarse sobre turba, suelo orgánico, tierra vegetal, relleno de desmonte o rellenos sanitario o industrial, ni rellenos No Controlados. Estos materiales inadecuados deberán ser removidos en su totalidad, antes de construir la edificación y ser reemplazados con materiales que cumplan con lo indicado en la Sección 4.4.1. 2.2.3 PRESIÓN ADMISIBLE Se determina según lo indicado en el Capítulo 3. 2.2.4 CIMENTACIÓN SOBRE RELLENOS Los rellenos son depósitos artificiales que se diferencian por su naturaleza y por las condiciones bajo las que son colocados.


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Por su naturaleza pueden ser: a) Materiales seleccionados: todo tipo de suelo compactable, con partículas no mayores de 7,5 (3”), con 30% o menos de material retenido en la malla ¾” y sin elementos distintos de los suelos naturales. b) Materiales no seleccionados: todo aquél que no cumpla con la condición anterior. Por las condiciones bajo las que son colocados: a) Controlados. b) No controlados. 2.2.4.1 Rellenos Controlados o de Ingeniería Los Rellenos Controlados son aquellos que se construyen con Material Seleccionado, tendrán las mismas condiciones de apoyo que las cimentaciones superficiales. Los métodos empleados en su conformación, compactación y control, dependen principalmente de las propiedades físicas del material. El Material Seleccionado con el que se debe construir el Relleno Controlado deberá ser compactado de la siguiente manera: a) Si tiene más de 12% de finos, deberá compactarse a una densidad mayor o igual del 90% de la máxima densidad seca del método de ensayo Proctor Modificado, NTP 339.141 (ASTM D 1557), en todo su espesor. b) Si tiene igual o menos de 12% de finos, deberá compactarse a una densidad no menor del 95% de la máxima densidad seca del método de ensayo Proctor Modificado, NTP 339.141 (ASTM D 1557), en todo su espesor. En todos los casos deberán realizarse controles de compactación en todas las capas compactadas, a razón necesariamente, de un control por cada 250 m2 con un mínimo de tres controles por capa. En áreas pequeñas (igual o menores a 25 m2) se aceptará un ensayo como BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 25

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS mínimo. En cualquier caso, el espesor máximo a controlar será de 0,30 m de espesor. Cuando se requiera verificar la compactación de un Relleno Controlado ya construido, este trabajo deberá realizarse mediante cualquiera de los siguientes métodos: a) Un ensayo de Penetración Estándar NTP 339.133 (ASTM D 1586) por cada metro de espesor de Relleno Controlado. El resultado de este ensayo debe ser mayor a N 60= 25, golpes por cada 0,30m de penetración. b) Un ensayo con Cono de Arena, NTP 339.143 (ASTM D1556) ó por medio de métodos nucleares, NTP 339.144 (ASTM D2922), por cada 0,50 m de espesor. Los resultados deberán ser: mayores a 90% de la máxima densidad seca del ensayo Proctor Modificado, si tiene más de 12% de finos; o mayores al 95% de la máxima densidad seca del ensayo Proctor Modificado si tiene igual o menos de 12% de finos. 2.2.4.2 Rellenos no Controlados Los rellenos no controlados son aquellos que no cumplen con la Sección 2.2.4.3. Las cimentaciones superficiales no se podrán construir sobre estos rellenos no controlados, los cuales deberán ser reemplazados en su totalidad por materiales seleccionados debidamente compactados, como se indica en la Sección 4.4.1, antes de iniciar la construcción de la cimentación. 2.2.5 CARGAS EXCÉNTRICAS En el caso de cimentaciones superficiales que transmiten al terreno una carga vertical Q y dos momentos Mx y My que actúan simultáneamente según los ejes x e y respectivamente, el sistema formado por estas tres solicitaciones será estáticamente equivalente a una carga vertical excéntrica de valor Q, ubicada en el punto (ex, ey) siendo:


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El lado de la cimentación, ancho (B) o largo (L), se corrige por excentricidad reduciéndolo en dos veces la excentricidad para ubicar la carga en el centro de gravedad del “área efectiva = B’L’”.

El centro de gravedad del “área efectiva” debe coincidir con la posición de la carga excéntrica y debe seguir el contorno más próximo de la base real con la mayor precisión posible. Su forma debe ser rectangular, aún en el caso de cimentaciones circulares. (Ver Figura N° 4.5.0). 2.2.6 CARGAS INCLINADAS La carga inclinada modifica la configuración de la superficie de falla, por lo que la ecuación de capacidad de carga deber ser calculada tomando en cuenta su efecto. 2.2.7 CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN TALUDES En el caso de cimientos ubicados en terrenos próximos a taludes o sobre taludes o en terreno inclinado, la ecuación de capacidad de carga debe ser calculada teniendo en cuenta la inclinación de la superficie y la inclinación de la base de la cimentación, si la hubiera. Adicionalmente debe verificarse la estabilidad del talud, considerando la presencia de la estructura. El factor de seguridad mínimo del talud, en consideraciones estáticas debe ser 1,5 y en condiciones sísmicas 1,25.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 2.3 Tipologías Las cimentaciones superficiales son aquellas en las que el plano de contacto entre la estructura y el terreno está situado bajo el terreno que la rodea a una profundidad (D) que resulta pequeña cuando se compara con el ancho (B) de la cimentación. De hecho, cuando esa profundidad y el ancho de la cimentación son del mismo orden, entonces las fórmulas y procedimientos que aquí se indican son muy conservadores. Existen varias tipologías básicas de cimentaciones superficiales, entre ellas:  Zapatas aisladas o arriostradas.  Zapatas corridas rígidas.  Zapatas corridas flexibles  Losas. 2.3.1 Zapatas aisladas o arriostradas. Son típicas en cimentaciones de edificios o estructuras sustentadas por pilares. Las riostras que unen las distintas unidades no suelen reducir notablemente las cargas verticales que actúan en cada zapata y por lo tanto, a efectos de hundimiento y de asientos, éstas pueden considerarse individualmente. Su principal objetivo es la de evitar desplazamientos laterales.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 2.3.2 Zapatas corridas rígidas Son típicas en las cimentaciones de muros o estructuras de contención de gravedad. Por ejemplo tenemos muelles de bloques, o cajones. La rigidez de la estructura hace que, para el cálculo de asientos, se pueda despreciar la deformación de la propia estructura.

2.3.3 Zapatas corridas flexibles. Son típicas de las cimentaciones de estructuras soportadas mediante pilares en terrenos de capacidad portante reducida que no permiten las cimentaciones aisladas. También pueden resultar interesantes por razones constructivas o incluso por razones económicas. Serían equivalentes a las zapatas aisladas y arriostradas con riostras y zapatas integradas en un mismo elemento, que sería una viga o zapata corrida. Las vigas corridas pueden ir en una sola dirección arriostradas o no, o en dos o más direcciones, cruzándose y arriostrándose entre sí.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 2.3.4 Losas. Este tipo de solución es habitual en suelos que presentan escasa capacidad portante para cimentaciones aisladas o mediante vigas corridas. También pueden adoptarse soluciones en losa por otras razones muy diversas.

Fig. 2 Cimentación por losa. 2.4 DEFINICIONES BÁSICAS. Es la tensión vertical total que actúa en la base del cimiento (carga total/área del cimiento). Incluye todas las componentes verticales: sobrecargas, peso de la estructura, peso del propio cimiento y otros.

Fig. 3 Tensión total bruta. 2.4.1 qneta, Tensión total neta. Es la diferencia entre qb y la tensión total de tierras (sobrecarga) que actúa a la cota de la base del cimiento (qneta = qb - Po). Usualmente qneta es el incremento de tensión total vertical al nivel de base de la cimentación.


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2.4.2 q’neta, Tensión efectiva neta Es la diferencia entre q’b y la tensión efectiva vertical P’o debida a la sobrecarga de tierras al nivel de la Cimentación.

2.4.3 q’h, (qh) Tensión de hundimiento Es la tensión vertical para la cual el terreno agota su resistencia al corte. Puede expresarse en términos de tensiones totales o efectivas, brutas o netas.


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2.4.4 q’adm, (qadm) Tensión admisible. Es la tensión de cimentación para la cual existe un coeficiente de seguridad adecuado frente al hundimiento. Puede expresarse en términos de tensiones totales o efectivas, brutas o netas. Esta tensión no tiene por qué ser admisible para la estructura, por lo tanto depende del tipo de estructura (estructuras rígidas/flexibles). 2.4.5 q’adm, trabajo (qadm, trabajo) Tensión admisible de trabajo Es la tensión de cimentación admisible para una determinada estructura teniendo en cuenta su tolerancia a los asientos. Obviamente puede ser mucho menor que qadm. Puede expresarse en tensiones totales o efectivas, brutas o netas. 2.4.6 Qtrabajo, Tensión de trabajo Es la tensión vertical de cimentación la que está funcionando una determinada cimentación. Puede expresarse en tensiones totales o efectivas, brutas o netas. 2.4.7 Qtrabajo, Tensión de trabajo. Es la tensión vertical de cimentación la que está funcionando una determinada cimentación. Puede expresarse en tensiones totales o efectivas, brutas o netas. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 33

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 2.5 CONDICIONES QUE DEBE CUMPLIR LA CIMENTACIÓN. 2.5.1 Estabilidad global. La estructura y su cimiento pueden fallar globalmente sin que se produzcan, antes, otros fallos locales. Este tipo de rotura es típico de cimentaciones en taludes o en medias laderas. 2.5.2 Estabilidad frente al hundimiento Este fallo del terreno puede ocurrir cuando la carga actuante sobre el terreno, bajo algún elemento del cimiento, supera la carga de hundimiento. 2.5.3 Estabilidad frente al deslizamiento. El contacto de la cimentación con el terreno puede estar sometido a tensiones de corte. Si éstas superan la resistencia de ese contacto se puede producir el deslizamiento entre ambos elementos, cimentación y terreno. 2.5.4 Estabilidad frente al vuelco. El vuelco es típico de estructuras cimentadas sobre terrenos cuya capacidad portante es mucho mayor que la necesaria para sostener la cimentación, de otra forma, antes de producirse el vuelco se provocaría el hundimiento del cimiento. 2.5.5 Capacidad estructural del cimiento Los esfuerzos en los elementos estructurales que componen el cimiento, igual que cualquier otro elemento estructural, pueden sobrepasar su capacidad resistente. Los estados límites últimos que, en ese sentido, deben considerarse son los mismos que con el resto de los elementos estructurales. 2.6 CARACTERÍSTICAS DE LA CIMENTACIÓN. 2.6.1 Configuración geométrica. La cimentación se definirá por sus dimensiones características tales como anchuras (B), longitudes (L), etc. Las cimentaciones que no tengan formas rectangulares podrán asimilarse arectángulos


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS equivalentes para aplicar las fórmulas que aquí se indican para cimentaciones rectangulares. La profundidad de cimentación (D) será una estimación del valor mínimo que razonablemente cabe esperar en cada situación de proyecto en alguno de los lados de la cimentación.

Se define ancho equivalente (B*) y largo equivalente (L*) como las longitudes resultantes de aplicar las excentricidades de aplicación de carga según las dos direcciones ortogonales. De esta manera se definen como:


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Calculadas esas dimensiones equivalentes se obtendrá, también para cada combinación de acciones, el valor de la presión vertical media, definida por:


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2.7 CALCULO ANALITICO DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO. Las teorías de capacidad de carga en cimentaciones superficiales están basadas en un buen número de idealizaciones sobre las características tensión-deformación del suelo: a) El suelo se supone rígido-perfectamente plástico.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS b) La mayoría de las teorías suponen que el terreno es isótropo, es decir, que su resistencia es la misma en cualquier dirección. c) Se suele suponen que el terreno es homogéneo, o sea: En cálculos sin drenaje (corto plazo en suelos cohesivos), la resistencia al corte sin drenaje “Su, Shear Undreined” se supone constante. En cálculos con drenaje (suelos cohesivos a largo plazo o suelos granulares a corto y largo plazo), los parámetros de resistencia efectiva c’ y Ø’ se suponen constantes. d) La mayoría de las teorías suponen que el suelo bajo la cimentación no pesa (densidad nula). 2.7.1 Formula Polinómica. La fórmula más frecuente para verificar la seguridad, y cuya aplicación se recomienda, es la conocida bajo el nombre de Brinch-Hansen2 (1970), aunque de ella existen distintas versiones que difieren en algunos detalles sobre el procedimiento de obtención de algunos parámetros. Según la versión que se recomienda en la ROM 0.5-94 la componente vertical de la presión que produce el hundimiento es.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS En las fórmulas anteriores se ha supuesto que el terreno situado por encima del plano de cimentación actúa exclusivamente como una sobrecarga. En aquellas ocasiones en las que se pueda garantizar que ese terreno estará permanentemente íntegro en una zona amplia del entorno de la cimentación, sin grietas naturales o artificiales (zanjas, dragados locales, etc.), se puede aumentar la carga de hundimiento multiplicando cada uno de los tres términos de la fórmula polinómica por los siguientes coeficientes:

Dónde: Ø = ángulo de rozamiento interno en grados. D = profundidad del plano de cimentación en metros. B* = ancho equivalente del cimiento en metros. 2.7.2 Coeficientes de capacidad de carga. Las siguientes expresiones debidas a Prandtl (1920) corresponden a las fórmulas analíticas que proporcionan los valores de los coeficientes de carga de la fórmula polinómica de Brinch-Hansen.

Para el caso particular de Ø = 0, tenemos que los coeficientes de capacidad de carga valen respectivamente. En la siguiente BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 39

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS tabla se recogen los valores de los coeficientes de carga para el rango de ángulos de rozamiento interno en los suelos.


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2.7.3 Coeficientes de Forma. Tras una serie muy cuidada de ensayo en modelo reducido en arena, De Beer (1970) dedujo las siguientes expresiones:

2.7.4 Coeficientes de Inclinación. Las expresiones que proporcionan los valores de los coeficientes de inclinación se deben a Schultze (1952), Caquot y Odgaard entre otros.


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Nota: Cuando se puede asegurar cierta cohesión “c” en el contacto de la cimentación con el terreno se podrá tomar un ángulo “d” menor, dado por la expresión:

Esta forma aproximada de considerar el efecto de la inclinación no debe utilizarse Para inclinaciones del cimiento superiores al 10 %. 2.7.5 Influencia de las condiciones de agua sobre la Capacidad de carga con drenaje. Las condiciones hidrogeológicas del terreno de cimentación tienen una importancia fundamental a la hora de determinar la capacidad de carga de las cimentaciones directas o superficiales. El ejemplo teórico de la figura adjunta servirá para poner de relieve los aspectos más importantes de este problema. Se trata de una cimentación en faja de ancho B, situada a una profundidad D bajo la superficie. Es importante recordar que en la ecuación general de la capacidad de carga (ecuación 4), se expresaba en tensiones efectivas. En dicha ecuación Po’ es la tensión efectiva vertical a la profundidad del cimiento y g’ es la densidad efectiva por debajo del mismo. Lógicamente ambos parámetros estarán influenciados por las condiciones del agua intersticial.


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2.7.6 Nivel freático a profundidad dw > B. En ese caso la superficie de rotura teórica al llegar al hundimiento queda por encima del nivel freático, luego la presencia de dicho nivel freático no afecta a la capacidad de carga.

2.7.7 Nivel freático a profundidad dw = 0. Al subir el nivel freático hasta la base de la zapata, Po’ no varía respecto al caso anterior, pero la densidad efectiva bajo el cimiento se reduce:


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2.7.8 Nivel freático en la superficie. En esta situación resulta:

Nota: En este caso existe una presión intersticial U = gw · D al nivel de la base del cimiento que habrá que tener en cuenta para la determinación de qh(bruta), es decir :


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2.7.9 Régimen de filtración hacia la superficie del terreno. Esta situación es la más desfavorable de todas y puede reducir mucho la capacidad de carga de las cimentaciones directas. Al aumentar la presión intersticial con respecto a la hidrostática del caso anterior, los términos en Po’ y g’ se reducen drásticamente.

2.7.10 Cargas admisibles en arenas en función del ensayo SPT. De entre las distintas correlaciones existentes entre el índice N del ensayo estándar de penetración SPT y la presión vertical de cimentación se describe, a continuación, la propuesta por Meyerhof 3(1956). La presión vertical admisible en arenas, de manera que se tenga una seguridad adecuada frente al hundimiento y de manera que el asiento sea inferior a una pulgada (25,4 mm), es:


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Dónde: D = profundidad del plano de cimentación. B* = ancho equivalente del cimiento. Ambas dimensiones deben medirse en metros de manera que los términos entre paréntesis resulten adimensionales. El índice N del SPT a utilizar en esta expresión debe ser el valor medio obtenido en la zona comprendida entre el plano de cimentación y una profundidad 1,5 B* bajo dicho plano. Como quiera que los valores del índice N del SPT dependen de la sobrecarga efectiva de tierras al nivel del ensayo, tales valores deben referirse a una presión normalizada de 100 KPa (1 Kg/cm2 ). Los factores de corrección a utilizar se indican en el cuadro siguiente:


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Para valores intermedios se puede interpolar linealmente entre los datos indicados. En cualquier caso el valor del índice N del SPT que se introduce en las expresiones anteriores después de corregido, no debe ser nunca superior a 50. La profundidad de cimentación D a utilizar en los cálculos, no debe ser nunca mayor que el ancho equivalente de cimentación, B*. Las ecuaciones anteriores se consideran aplicables para cimentaciones superficiales de hasta unos 5 metros de anchura, como máximo. 2.7.11 Cargas admisibles en suelos cohesivos firmes y rocas. Las cargas admisibles en suelos cohesivos firmes y rocas, de manera que queden garantizados el problema de hundimiento y el buen comportamiento frente a asientos (asientos moderados del orden de una pulgada), son una fracción de su resistencia a la compresión simple:

(21) Dónde:  Factor adimensional con los valores típicos siguientes:  Arcillas sobreconsolidadas y rocas alteradas 0,60 0,40  Rocas blandas poco alteradas y poco diaclasadas 0,40 - 0,20  Rocas muy diaclasada 0,20 - 0,10. qu valor representativo de la resistencia a la compresión simple de la arcilla o de la matriz rocosa en la zona de espesor B* bajo el plano de cimentación. El valor representativo del parámetro r debe ser, dentro del rango indicado, tanto menor cuanto mayor sea el grado de diaclasamiento y cuanto mayor sea la resistencia a la compresión, qu. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 47

CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS Según la Norma DIN 1054, tenemos que cargas admisibles sobre rocas poco diaclasadas, sana, no meteorizada y con estratificación favorable (en el caso de estar muy diaclasadas y con disposición desfavorable de los estratos, estos valores deberán reducirse a la mitad). Con estratificación marcada 15 Kg/cm2 En estado masivo o columnar 30 Kg/cm2. Por otra parte, el Código de Practica Británico nº 4 da indicaciones más detalladas, en primer lugar, da la tabla siguiente:

Por otra parte dice: si se empotra la cimentación más de 0,60 metros en roca sana, la carga de trabajo puede aumentar en un 20 % por cada 0,30 metros adicionales, siempre que no se sobrepase el doble de los valores dados en la tabla anterior. 2.8 CALCULO DE LA CAPACIDAD PORTANTE A CORTO PLAZO. Los cálculos de la presión vertical que produce el hundimiento de una cimentación sobre un terreno poco permeable deben realizarse en la hipótesis de que no se produzcan ninguna consolidación del terreno. En esta situación extrema de “corto plazo”, la resistencia del terreno puede simularse con un ángulo de rozamiento nulo y una cohesión igual a la resistencia al corte obtenida BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 48

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mediante ensayos de corte sin drenaje (Shear Undreined), ya sean de campo (Vane test, por ejemplo), bien sean de laboratorio (ensayos triaxiales tipo UU, por ejemplo), bien sean mediante estimación indirecta a través de correlaciones (penetrómetro estático, por ejemplo) u otros ensayos. Los parámetros resistentes a utilizar en la polinómica de Brinch-Hansen serán, por lo tanto:

fórmula

Dónde: Su = resistencia al corte sin drenaje media de la zona de profundidad B* bajo el plano de cimentación. El parámetro q de la fórmula polinómica se calculará como sigue: …………(22)

La ecuación polinómica de brinch-Hansen para el caso a “corto plazo” queda como sigue:



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Para el caso particular de una zapata cuadrada la expresión anterior queda:

2.8.1 El coeficiente de seguridad frente al hundimiento. Se entiende como coeficiente de seguridad frente al hundimiento, Fh, al coeficiente entre la componente vertical de presión que produce el hundimiento, Pvh, calculada mediante la fórmula polinómica de BrinchHansen y la componente vertical de la presión actuante, Pv, definida como V/(B*· L*). A falta de información específica que permita adoptar otros coeficientes de seguridad, para el caso general de cimentaciones de importancia media y cuyo fallo no implique consecuencias especiales, se adoptarán los siguientes valores mínimos:

2.9 NORMATIVA DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES. 2.9.1 DEFINICIÓN Son aquellas en las cuales la relación Profundidad / ancho (Df/B) es menor o igual a cinco (5), siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma. Son cimentaciones superficiales las zapatas conectadas y combinadas; las cimentaciones (cimientos corridos) y las plateas de cimentación.


aisladas, continuas


2.9.2 PROFUNDIDAD DE CIMENTACIÓN La profundidad de cimentación de zapatas y cimientos corridos, es la distancia desde el nivel de la superficie del terreno a la base de la cimentación, excepto en el caso de edificaciones con sótano, en que la profundidad de cimentación estará referida al nivel del piso del sótano. En el caso de plateas o losas de cimentación la profundidad será la distancia del fondo de la losa a la superficie del terreno natural. La profundidad de cimentación quedará definida por el PR y estará condicionada a cambios de volumen por humedecimiento-secado, hielodeshielo o condiciones particulares de uso de la estructura, no debiendo ser menor de 0,80 m en el caso de zapatas y cimientos corridos. Las plateas de cimentación deben ser losas rígidas de concreto armado, con acero en dos direcciones y deberán llevar una viga perimetral de concreto armado cimentado a una profundidad mínima de 0,40 m, medida desde la superficie del terreno o desde el piso terminado, la que sea menor. El espesor de la losa y el peralte de la viga perimetral serán determinados por el Profesional Responsable de las estructuras, para garantizar la rigidez de la cimentación. Si para una estructura se plantean varias profundidades de cimentación, deben determinarse la carga admisible y el asentamiento diferencial para cada caso. Deben evitarse la interacción entre las zonas de influencia de los cimientos adyacentes, de lo contrario será necesario tenerla en cuenta en el dimensionamiento de los nuevos cimientos. Cuando una cimentación quede por debajo de una cimentación vecina Existente, el PR deberá analizar el requerimiento de calzar la cimentación vecina según lo indicado en las Secciones 6.5.6 y 6.5.7. No debe cimentarse sobre turba, suelo orgánico, tierra vegetal, relleno de desmonte o rellenos sanitario o industrial, ni rellenos No Controlados. Estos materiales inadecuados deberán ser removidos en su totalidad, antes de construir la edificación y ser reemplazados con materiales que cumplan con lo indicado en la Sección 4.4.1


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2.9.3 PRESIÓN ADMISIBLE Se determina según lo indicado en el Capítulo 3. 2.9.4 CIMENTACIÓN SOBRE RELLENOS Los rellenos son depósitos artificiales que se diferencian por su naturaleza y por las condiciones bajo las que son colocados. Por su naturaleza pueden ser: a) Materiales seleccionados: todo tipo de suelo compactable, con partículas no mayores de 7,5 (3”), con 30% o menos de material retenido en la malla ¾” y sin elementos distintos de los suelos naturales. b) Materiales no seleccionados: todo aquél que no cumpla con la condición anterior. Por las condiciones bajo las que son colocados: a) Controlados. b) No controlados. 2.9.5 Rellenos Controlados o de Ingeniería Los Rellenos Controlados son aquellos que se construyen con Material Seleccionado, tendrán las mismas condiciones de apoyo que las cimentaciones superficiales. Los métodos empleados en su conformación, compactación y control, dependen principalmente de las propiedades físicas del material. El Material Seleccionado con el que se debe construir el Relleno Controlado deberá ser compactado de la siguiente manera: a) Si tiene más de 12% de finos, deberá compactarse a una densidad mayor o igual del 90% de la máxima densidad seca del método de ensayo Proctor Modificado, NTP 339.141 (ASTM D 1557), en todo su espesor. b) Si tiene igual o menos de 12% de finos, deberá compactarse a una densidad no menor del 95% de la máxima densidad seca del método de ensayo Proctor Modificado, NTP 339.141 (ASTM D 1557), en todo su espesor. En todos los casos deberán realizarse controles de compactación en todas las capas compactadas, a razón necesariamente, de un control por cada 250 m2 con un mínimo de tres controles por capa. En áreas pequeñas (igual o menores a 25 m2) se aceptará un ensayo como mínimo. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 52

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En cualquier caso, el espesor máximo a controlar será de 0,30 m de espesor. Cuando se requiera verificar la compactación de un Relleno Controlado ya construido, este trabajo deberá realizarse mediante cualquiera de los siguientes métodos: a) Un ensayo de Penetración Estándar NTP 339.133 (ASTM D 1586) por cada metro de espesor de Relleno Controlado. El resultado de este Ensayo debe ser mayor a N 60= 25, golpes por cada 0,30m de penetración. b) Un ensayo con Cono de Arena, NTP 339.143 (ASTM D1556) ó por medio de métodos nucleares, NTP 339.144 (ASTM D2922), por cada 0,50 m de espesor. Los resultados deberán ser: mayores a 90% de la máxima densidad seca del ensayo Proctor Modificado, si tiene más de 12% de finos; o mayores al 95% de la máxima densidad seca del ensayo Proctor Modificado si tiene igual o menos de 12% de finos. 2.9.6 Rellenos no Controlados Los rellenos no controlados son aquellos que no cumplen con la Sección 2.9.6.1. Las cimentaciones superficiales no se podrán construir sobre estos rellenos no controlados, los cuales deberán ser reemplazados en su totalidad por materiales seleccionados debidamente compactados, como se indica en la Sección 4.4.1, antes de iniciar la construcción de la cimentación. 2.9.7 CARGAS EXCÉNTRICAS En el caso de cimentaciones superficiales que transmiten al terreno una carga vertical Q y dos momentos Mx y My que actúan simultáneamente según los ejes x e y respectivamente, el sistema formado por estas tres solicitaciones será estáticamente equivalente a una carga vertical excéntrica de valor Q, ubicada en el punto (ex, ey) siendo:


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El lado de la cimentación, ancho (B) o largo (L), se corrige por excentricidad reduciéndolo en dos veces la excentricidad para ubicar la carga en el centro de gravedad del “área efectiva = B’L’”

El centro de gravedad del “área efectiva” debe coincidir con la posición de la carga excéntrica y debe seguir el contorno más próximo de la base real con la mayor precisión posible. Su forma debe ser rectangular, aún en el caso de cimentaciones circulares. (Ver Figura N° 4.5.0). 2.9.8 CARGAS INCLINADAS La carga inclinada modifica la configuración de la superficie de falla, por lo que la ecuación de capacidad de carga deber ser calculada tomando en cuenta su efecto. 2.9.9 CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN TALUDES En el caso de cimientos ubicados en terrenos próximos a taludes o sobre taludes o en terreno inclinado, la ecuación de capacidad de carga debe ser calculada teniendo en cuenta la inclinación de la superficie y la inclinación de la base de la cimentación, si la hubiera. Adicionalmente debe verificarse la estabilidad del talud, considerando la presencia de la estructura. El factor de seguridad mínimo del talud, en consideraciones estáticas debe ser 1,5 y en condiciones sísmicas 1,25.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 2.10 EJEMPLOS PRACTICOS EJERCICIO Nº 1 ZAPATAS: CARGAS DE HUNDIMIENTO

Una zapata que puede considerarse indefinida en la dirección perpendicular al plano del dibujo, con un ancho de 3 m y un canto de 2 m, se construye empotrada en un terreno sumergido que tiene las características siguientes: peso específico saturado gsat = 2 t/m3, ángulo de rozamiento interno f’ = 23º y cohesión c’ = 1,2 t/m2, ambos en tensiones efectivas. Sobre la zapata actúa una carga lineal P = 54 t/m y un momento M = 6,3 mt/m en la posición de la figura. La densidad del hormigón es de 2,5 t/m3.

Se pide: Suponiendo que el nivel del agua coincide con la superficie del terreno calcular el valor de la presión unitaria de hundimiento a largo plazo según Brinch Hansen y el coeficiente de seguridad al hundimiento de la zapata.


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CAPITULO III 3 CIMENTACIONES PROFUNDAS 3.1 Antecedentes Los procesos constructivos y la aplicación de cimentaciones profundas, solo se cuenta con el Reglamento para la Seguridad Estructural de Construcción, se establecen los requerimientos mínimos sobre las cargas aplicadas y las características físicas básicas de los pilotes prefabricados o colados in situ. Reglamento de Diseño Sísmico definitivo. Fue hasta el año de 1989 que se hizo necesario, de conformidad a la información sismológica registrada y procesada, corregir las eficiencias más notorias del Reglamento de Diseño Sísmico vigente en esa época. En la actualidad se cuenta con una mayor información sobre la incidencia sísmica en el país y con los conocimientos técnicos suficientes para establecer requisitos mínimos de seguridad estructural de las construcciones. 3.2 Manuales y Reglamentos Internacionales, utilizados para el desarrollo de Cimentaciones profundas. Los criterios que se utilizan para la calidad y especificaciones de los materiales y el diseño de cimentaciones profundas de concreto, son tomados del ACI (Manual of Concrete Practice). El uso de normas y manuales mexicanos es también muy aceptable en nuestro país de Perú y Japón son adaptadas al Reglamento elaborado por el Ministerio de Obras Públicas. 3.3 MARCO HISTÓRICO 3.3.1 Antecedentes La cimentación por pilotaje es la más antigua de las BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 74

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS cimentaciones profundas. Los pilotes se hincan o se construyen en una perforación realizada en el terreno. Los pilotes pueden ser fabricados de materiales como: madera, concreto, acero, o mixtos. Cada opción tendrá sus ventajas y limitaciones, de acuerdo con el problema específicos a resolver. “El primer tratado sobre pilotes se debe a Parronet (1708‐1794), y la primera fórmula de hinca aparece en 185. Después de las estacas de madera aparecen los pilotes de fundación (1818) y en 1900 los perfiles laminados. Los pilotes de hormigón aparecen en Suecia en 1939. Los holandeses fueron los primeros en reconocer entre 1913 y 1936 que los penetrómetros y los pilotes, elementos largos y delgados se comportan en forma semejante. Antiguamente la mayor parte de los edificios se construían sobre zapatas corridas o aisladas. Si el terreno en su superficie era blando y compresible, se hincaban en el terreno pilotes de madera y se ejecutaban la obra sobre ellos. Los asientos diferenciales no tenían importancia porque las construcciones presentaban gran facilidad de adaptación. A partir del siglo XVIII los edificios se van haciendo cada vez más pesados y rígidos. Por otra parte las cuestiones económicas juegan un papel más decisivo.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 3.4 MARCO TEORICO 3.4.1 Generalidades: Es evidente, para que una estructura ofrezca una seguridad y comportamiento razonable ha de contar con una cimentación adecuada. Aunque la cimentación es algo que no llama la atención y pasa inadvertida por los usuarios de la estructura, la organización de sus elementos básicos y el estudio de cada una de sus partes suele a veces exigir del ingeniero o proyectista la mayor destreza y el mejor criterio del que normalmente necesita para redactar el proyecto. La construcción de una cimentación es, a veces, el trabajo más difícil de todos los que se presentan al realizar una obra. La responsabilidad del buen funcionamiento de una cimentación recae sobre el que la estudia y proyecta. El constructor podrá tener problemas para realizar lo que figura en los planos y especificaciones pero no es responsable del mal criterio que se haya seguido para concebir y diseñar el proyecto. 3.4.2 Factores que intervienen en las cimentaciones Existen varios tipos de cimentaciones, los cuales dependen entre otras cosas de su forma de interactuar con el suelo, esto es, la manera en que transmiten al suelo las cargas que soportan, también dependen de su técnica de construcción y del material con que son fabricadas así como: mano de obra y equipo que se requiere para construirlas, que puede ser sencillo en algunos casos o muy especializado en otros, lo que se refleja directamente en la dificultad para llevarlas a cabo y en su costo. También puede influir la situación económica del lugar de construcción o bien podría darse el caso extremo de que la obra sea tan compleja y el terreno tan malo para construirla que sea necesario desarrollar un tipo de cimentación muy especial. Aunque cada país ha generado ciertas técnicas constructivas y de diseño muy particulares, basándose principalmente en sus necesidades y experiencias propias. El conocimiento del terreno y de sus propiedades geomecánicas es esencial para conocer la viabilidad económica de algunas tipologías de edificios y en todos BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 76

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS los casos una parte sustancial del presupuesto de estructuras. Los nuevos terrenos urbanizables tienen estratos de peor capacidad portante que exigen en muchos casos soluciones especiales de cimentación. Además es un hecho que las reclamaciones de mayor importancia y coste son motivadas en problemas derivados del suelo y sus cimentaciones. Una correcta evaluación de la capacidad portante del terreno y del efecto de empujes en muros de contención, redunda ya no sólo en la seguridad si no en la economía de las soluciones técnicas adoptadas. Por todo ello la calidad técnica y la visión ingenieril de los redactores de los informes geotécnicos es fundamental para la correcta selección y evaluación de las pruebas mínimas necesarias. De hecho es idónea la aportación de todo un equipo multidisciplinar. 3.4.3 Cimentaciones Profundas: Si el nivel apto para cimentar está muy por debajo de la zona inferior de la estructura, la excavación necesaria para proceder a una cimentación directa sería muy costosa y se recurre a una cimentación profunda. El término profunda puede producir confusiones, por ejemplo, un edificio con varios sótanos cimentados con zapatas o losas de cimentación. A las cimentaciones profundas se les suele llamar también indirecta. Si a 5 o 6 metros, no se alcanza suelo firme, la cimentación directa resulta excesivamente cara y es preferible estudiar un sistema de cimentación profunda. En general se recomienda el uso de una cimentación profunda para apoyar una estructura cuando los esfuerzos inducidos en el suelo por las cargas o acciones a que está sometida exceden la resistencia o capacidad de soporte de los estratos más superficiales, o cuando las restricciones de funcionamiento u operación obliguen a dicha solución.


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3.4.4 Tipos de cimentaciones profundas Pilotes: Son elementos esbeltos que se emplean para transmitir las cargas de la superestructura y peso propio a través de estratos de suelo de baja capacidad de carga hasta suelos más profundos o estratos de rocas que posean la resistencia requerida. Pilas: Son elementos de cimentación profunda con secciones mayores que la de los pilotes, las cuales también transmiten al subsuelo las cargas provenientes de una estructura y de la misma cimentación con el propósito de lograr la estabilidad del conjunto. Micropilotes: Son elementos estructurales cuyos diámetros están comprendidos entre 0.15 y menores de 0.30 m. Los de más frecuente aplicación en el recalce de estructuras son los de diámetro 0.22 m. Se define como un pilote de pequeño diámetro, que transmite la carga de una estructura a estratos de suelos más profundos, principalmente por fricción de su fuste con el suelo y en menor medida por su punta, con asentamientos prácticamente nulos. 3.4.5 Clasificación de cimentaciones profundas: Para clasificar las cimentaciones profundas, es necesario mencionar la intervención de algunos factores que se muestran en el siguiente esquema 2.1.


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3.4.5.1 Clasificación cimentación profunda

según

las

dimensiones

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de

la

La clasificación de las cimentaciones profundas se basa en los anchos de sus secciones transversales, tal como se muestra en la tabla 2.1:



a) Micropilotes b) Pilotes c) Pilas 3.4.5.2 Clasificación según el material de construcción. En el esquema 2.2 se muestran los materiales más utilizados para la fabricación de pilotes.


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Pilotes de concreto. a) Elementos prefabricados: son elementos estructurales de cimentación profunda que son fabricados en moldes, de acuerdo con las especificaciones, antes de ser instalados en el subsuelo. b) Elementos colados en lugar: el concreto es depositado directamente en perforaciones realizadas en el subsuelo, por lo que la cimentación es fabricada en el lugar donde quedara ubicada. Pilotes de acero. Resistentes a cargas de altas magnitudes y a esfuerzos cortantes y flexionantes considerables; pueden alcanzarse grandes profundidades con unión de piezas por roscado o soldadura. Su principal desventaja es que el área de la sección disminuye por efectos de la corrosión.


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Pilotes mixtos. Constituidos por piezas de distintos materiales. Los más comunes son los formados por piezas metálicas y de concreto. El propósito principal es aprovechar las ventajas de cada material según las condiciones del terreno. Pilotes de madera Es el pilote más antiguo que se conoce. Generalmente posee sección circular no uniforme y su longitud rara vez alcanza los 20 metros. Es necesario proporcionarles un tratamiento adecuado con la finalidad de prolongarles su vida útil. 3.4.5.3 Clasificación según el procedimiento constructivo. El procedimiento constructivo depende de las condiciones del subsuelo, de las especificaciones estructurales, así como de los recursos disponibles, pudiéndose clasificar considerando el desplazamiento del subsuelo generado durante la instalación de los elementos (ver esquema 2.3).


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Con desplazamiento. - Hincados a percusión, presión y vibración. Los elementos prefabricados, así como los perfiles y tubería metálica, son instalados en el subsuelo sin realizar previamente una perforación, aplicándoles energía dinámica y presión en suelos blandos, y vibración en suelos predominantemente friccionante. Con poco desplazamiento:  Hincado en una perforación previa. En el caso de que las características del subsuelo por su resistencia no permitan la instalación de los elementos de cimentación, se especifica una perforación previa a su hincado.  Hincado con chiflón El chiflón de agua es utilizado para hincar elementos precolados o de acero en suelos compuestos por arena suelta, la cual es transportada por el flujo al exterior. Sección transversal pequeña Se instalan tubos y perfiles metálicos sin perforación previa, debido a su reducida área trasversal, provoca un desplazamiento del subsuelo en ocasiones imperceptible. Pilotes sin desplazamiento. Son aquellos pilotes que en su proceso constructivo, el terreno es removido para posteriormente construir o colocar el pilote dentro de la perforación.


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3.4.5.4 Clasificación según la transmisión de carga al subsuelo. La forma en que las pilas y los pilotes transfieren las cargas al subsuelo define el tipo de cimentación clasificándose de la siguiente manera (ver esquema 2.4).

Carga vertical:  Punta. La carga vertical es transmitida al estrato localizado en la punta de los elementos de cimentación profunda. Ver fig. 2.2


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Fig. 2.2: Pilote trabajando por punta  Fricción La transmisión de las cargas al subsuelo se desarrolla a través del contacto de los diferentes estratos con el fuste de los pilotes o las pilas dependiendo del sentido de los esfuerzos, la cimentación puede ser de apoyo o de anclaje. Ver fig. 2.3


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS  Mixta. Se considera mixta la transmisión de la carga vertical descendente al subsuelo, cuando en el diseño de los elementos los esfuerzos son distribuidos en la punta y en el fuste; en la realidad esta condición es la que prevalece, la cual depende de la compatibilidad de los desplazamientos, sin embargo cuando los esfuerzos en la punta o en el fuste son reducidos en el cálculo se desprecia. Carga horizontal y vertical. En estructuras que generan cargas horizontales hacia la cimentación, además de las verticales, puede ser recomendable el uso de pilotes inclinados, con el propósito de que la fuerza resultante sea transmitida adecuadamente al subsuelo por la cimentación profunda elegida. En el caso de la ocurrencia de acciones sísmicas, los pilotes inclinados provocan concentraciones de esfuerzos considerables en la losa que se apoya en ellos, lo cual debe ser analizado en su diseño. Si la carga horizontal es moderada, es preferible usar pilotes instalados verticalmente y aprovechar la reacción pasiva del suelo superficial. Ver figura 2.4.

Figura 2.4: Pilotes sometidos a carga vertical y horizontal. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 86

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3.4.6 Función de los pilotes Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto o madera y se usan para construir cimentaciones que son profundas y cuestan más que las cimentaciones superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural. La siguiente lista identifica algunas de las condiciones que requieren cimentaciones de pilotes ♦ Cuando las cargas transmitidas por el edificio no se pueden distribuir adecuadamente en una cimentación superficial excediendo la capacidad portante del suelo. ♦ Puede darse que los estratos inmediatos a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el suelo resistente esté a cierta profundidad; es el caso de edificios que apoyan en terrenos de baja calidad. ♦ Cuando el terreno está sometido a grandes variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones producidos con arcillas expansivas. ♦ Cuando la edificación está sobre agua. ♦ Cuando los cimientos están sometidos a esfuerzos de tracción. Aquí tenemos varios casos: ♦ En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. ♦ En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo. ♦ Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y losas de sótanos debajo del nivel freático están sometidas a fuerzas de levantamientos. Algunas veces se usan pilotes para estas cimentaciones y así resistir la fuerza de levantamiento. ♦ Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; como en los muros de contención de los muelles. ♦ Cuando se deben recalzar cimientos existentes.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS ♦ Los estribos y pilas de puentes generalmente se construyen sobre cimentaciones de pilotes para evitar la posible pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial sufrirá por erosión del suelo en la superficie del terreno. 3.4.7 Etapas de la selección y elección del tipo de cimentación. El tipo de cimentación más adecuado para una estructura dada depende de varios factores, como su función, las cargas que deben soportar, las condiciones del subsuelo y el costo de la cimentación comparado con el costo de la superestructura. Puede ser que sea necesario hacer otras consideraciones, pero las anteriores son las principales. Debido a las relaciones existentes entre estos varios factores, usualmente pueden obtenerse varias soluciones aceptables para cada problema de cimentación. Cuando diferentes ingenieros con su gran experiencia se ven ante una situación dada, puede llegar a conclusiones algo diferentes. Por lo tanto el criterio juega un papel muy importante en la ingeniería de cimentaciones. Es de dudar que alguna vez pueda elaborarse un procedimiento estrictamente científico para el proyecto de cimentaciones, aunque los progresos científicos hayan contribuido mucho al perfeccionamiento de la técnica. Cuando un ingeniero experimentado comienza a estudiar una obra nueva, casi instintivamente desecha los tipos más inadecuados de cimentación y se concentra en los más prometedores; cuando su elección se ha reducido a unas cuantas alternativas que se adaptan bien a las condiciones del subsuelo y a la función de la estructura estudia la economía relativa de estas selecciones, antes de tomar la decisión final. Los ingenieros con menos experiencias pueden seguir un procedimiento semejante, sin peligro de cometer errores serios si aprovechan los resultados de los estudios científicos y el trabajo experimental de otros. Sin embargo para que sea útil esta información debe estar organizada lógicamente. “Al elegir el tipo de cimentación, el ingeniero debe dar los BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 88

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS siguientes 5 pasos sucesivos: 1. Obtener cuando menos, información aproximada con respecto a la naturaleza de la superestructura y de las cargas que se van a transmitir a las cimentaciones. 2. Determinar las condiciones del subsuelo en forma general. 3. Considerar brevemente cada uno de los tipos acostumbrados de cimentación, para juzgar si pueden construirse en las condiciones prevalecientes; si serían capaces de soportar las cargas necesarias, y si pudieran experimentar asentamientos perjudiciales. En esta etapa preliminar se eliminan los tipos evidentemente inadecuados. 4. Hacer estudios más detallados y aun anteproyectos de las alternativas más prometedoras. Para hacer estos estudios pueden ser necesarios tener información adicional con respecto a las cargas y condiciones del subsuelo, y generalmente, deberán extenderse lo suficiente para determinar el tamaño aproximado de las zapatas o pilas, o la longitud aproximada y numero de pilotes necesarios. También puede ser necesario hacer estimaciones más refinadas de los asentamientos, para predecir el comportamiento de la estructura. 5. Preparar una estimación del costo de cada alternativa viable de cimentación, y elegir el tipo que represente la transacción más aceptable entre el funcionamiento y el costo. Toda cimentación debe diseñarse para satisfacer dos requisitos esenciales: Seguridad adecuada contra falla y funcionalidad de la estructura. Para un caso específico, uno de estos requisitos condicionara las dimensiones de las cimentación; por tanto, es necesario calcular la capacidad de carga y las deformaciones probables de la cimentación. La capacidad de carga de una cimentación profunda depende fundamentalmente de la resistencia al corte del suelo en el cual se apoya y del mecanismo de transferencia de carga al suelo. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 89

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS Por otra parte la sensibilidad de la estructura a los asentamientos debe considerarse sabiendo que, tanto las muy flexibles como las muy rígidas pueden juzgarse como insensibles, ya que las primeras se acomodan a los asentamientos irregulares sin daño estructural, y las segundas se asientan monolíticamente. En conclusión, la selección del tipo de cimentación profunda se efectúa con base en el estudio de las condiciones de apoyo, en los principios de la mecánica de suelos y en la experiencia local de este tipo de cimentaciones; en cada caso se considera, además, el equipo de construcción disponible y las restricciones por la localización de la obra como colindancias y accesos. A partir de esta información, puede definirse uno o varios procedimientos constructivos factibles económicamente que deben estudiarse en detalle para seleccionar el más adecuado. También la elección inicial de las características de los elementos de cimentación, pueden hacerse estudiando la historia de las estructuras existentes cimentadas con pilotes o pilas vecinas a la estructura por construir. En tal caso se deben comparar las similitudes de esas estructuras con la propuesta, en lo referente al tamaño y geometría, condiciones de carga y tipos de suelos; en las zonas donde prevalezcan condiciones de cimentación similares, siempre debe tomarse en cuenta la práctica empleada a través de los años. 3.4.8 Pruebas preliminares en cimentaciones profundas En todos los proyectos importantes es común que se justifique económicamente efectuar pruebas de carga preliminares en pilotes o pilas como una guía para seleccionar el tipo, longitud y capacidad permisible de los cimientos antes de llegar al diseño final; esta prueba debe realizarse durante la construcción cuando el objetivo sea verificar las hipótesis de diseño. En obras pequeñas en las que se tiene un número reducido de pilotes o pilas, generalmente es más económico diseñar conservadoramente la cimentación que efectuar pruebas de carga, de la cual estaremos mencionando más adelante.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 3.4.9 Desventajas que presentan los pilotes de concreto. - Un pequeño corrimiento de tierra alrededor del pilote sin reforzar puede quebrarlo. - Un empuje hacia arriba, actuando sobre el fuste de un pilote sin camisa permanente, ni el refuerzo puede destruirlo al hacerlo trabajar a tensión. - Es difícil efectuar un buen colado si el tubo del pilote se llena de agua, a no ser que se emplee aire comprimido. - La dificultad de aumentar o reducir su longitud en caso de que ésta no sea bien estimada. - Es difícil saber a simple vista cuando un pilote ha fallado, ya que no es necesario que el pilote desaparezca en las profundidades subterráneas ni tampoco que se rompa o doble. - Si un pilote es colocado en un lugar equivocado, ya no es posible su extracción para reutilizarlo. 3.4.10 Ventajas en el uso de pilotes de concreto  Resultan convenientes cuando las condiciones del suelo no son favorables para la utilización de otro tipo de cimentaciones.  Proporcionan buenas soluciones para la distribución de cargas en el subsuelo ya que pueden trabajar individualmente o en grupos de pilotes.  Presentan resistencia a los ataques químicos y biológicos.  Los pilotes hincados, en un estrato de suelo friccionante pueden llegar a alcanzar elevadas resistencias por fricción.


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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 3.5 NORMATIVA E-050

CIMENTACIONES PROFUNDAS 3.5.1 DEFINICIÓN Son aquellas en las que la relación profundidad /ancho (Df/B) es mayor a cinco (5), siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma. Son cimentaciones profundas: los pilotes y micropilotes, los pilotes para densificación, los pilares y los cajones de cimentación. La cimentación profunda será usada cuando las cimentaciones superficiales generen una capacidad de carga que no permita obtener los factores de seguridad indicados en la Sección 3.4 o cuando los asentamientos generen asentamientos diferenciales mayores a los indicados en la Sección 3.2. Las cimentaciones profundas se pueden usar también para anclar estructuras contra fuerzas de levantamiento y para colaborar con la resistencia de fuerzas laterales y de volteo. Las cimentaciones profundas pueden además ser requeridas para situaciones especiales tales como suelos expansivos y colapsables o suelos sujetos a erosión. Algunas de las condiciones que hacen que sea necesaria la utilización de cimentaciones profundas, se indican a continuación: a).- Cuando el estrato o estratos superiores del suelo son altamente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la estructura. En estos casos se usan pilotes para transmitir la carga a la roca o a un estrato más resistente. b).- Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, ya que las cimentaciones con pilotes tienen resistencia por flexión mientras soportan la carga vertical transmitida por la estructura. c).-Cuando existen suelos expansivos, colapsables, licuables o suelos sujetos a erosión que impiden cimentar las obras por medio de cimentaciones superficiales. d).-Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas en el mar, y losas de sótanos debajo del nivel freático, están sometidas a fuerzas de levantamiento. Algunas veces se usan pilotes para resistir dichas fuerzas. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 92

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 3.5.2 CIMENTACIÓN POR PILOTES Los pilotes son elementos estructurales hechos de concreto, acero o madera y son usados para construir cimentaciones en los casos en que sea necesario apoyar la cimentación en estratos ubicados a una mayor profundidad que el cual para cimentaciones superficiales. 3.5.2.1Programa de exploración para pilotes El programa de exploración para cimentaciones por pilotes se sujetará a lo indicado en la Sección 2.3. 3.5.2.2 Estimación de la longitud y de la capacidad de carga del pilote. Los pilotes se dividen en dos categorías principales, dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia de carga al suelo, como se indica en los siguientes a continuación: a) Si los registros de la perforación establecen la presencia de roca a una profundidad razonable, los pilotes se extienden hasta la superficie de la roca. En este caso la capacidad última de los pilotes depende por completo de la capacidad de carga del material subyacente. b) Si en vez de roca se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y resistente a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro del estrato duro. En este caso, la carga última del pilote se expresa como:


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En este caso, la longitud requerida de pilote se estima con mucha precisión si se dispone de los registros de exploración del subsuelo. c) Cuando no se tiene roca o material resistente a una profundidad razonable, los pilotes de carga de punta resultan muy largos y antieconómicos. Para este tipo de condición en el subsuelo, los pilotes se hincan a profundidades específicas. La carga última de esos pilotes Se expresa por la ecuación:


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Éstos se denominan pilotes de fricción porque la mayor parte de la resistencia se deriva de la fricción superficial. La longitud de estos pilotes depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Los procedimientos teóricos para dicho cálculo se presentan más adelante. 3.5.2.3 Consideraciones en el cálculo de capacidad de carga Dentro de los cálculos de la capacidad de carga de los pilotes no se deben considerar los estratos licuables, aquellos de muy baja resistencia, suelos orgánicos ni turbas. 3.5.2.4 Capacidad de carga del grupo de pilotes. a) En el caso de un grupo de pilotes de fricción en arcilla, deberá analizarse el efecto de grupo. b) En el caso de pilotes de punta apoyados sobre un estrato resistente de poco espesor, debajo del cual se tiene un suelo menos resistente, debe analizarse la capacidad de carga por punzonamiento de dicho suelo. 3.5.2.5

Factores de seguridad.

a).-Para el cálculo de la capacidad de carga admisible, mediante métodos estáticos, a partir de la carga última, se utilizarán los factores de seguridad estipulados en la Sección 3.4. b).-Para el cálculo mediante métodos dinámicos, se utilizará el factor de seguridad correspondiente a la fórmula utilizada. En ningún caso el factor de seguridad en los métodos dinámicos será menor de 2. 3.5.2.6 Espaciamiento de pilotes a) El espaciamiento mínimo entre pilotes será el indicado en la Tabla5.2.4.2.


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Donde b = diámetro o mayor dimensión del pilote. b).- Para el caso de pilotes por fricción, este espaciamiento no podrá ser menor de 1,20 m. 3.5.2.7

Fricción negativa

a) La fricción negativa es una fuerza de arrastre hacia abajo ejercida sobre el pilote por el suelo que lo rodea, la cual se presenta bajo las siguientes condiciones: - Si un relleno de suelo arcilloso se coloca sobre un estrato de suelo granular en el que se hinca un pilote, el relleno se Consolidará gradualmente, ejerciendo una fuerza de arrastre hacia abajo sobre el pilote durante el período de consolidación. - Si un relleno de suelo granular se coloca sobre un estrato de arcilla blanda, inducirá el proceso de consolidación en el estrato de arcilla y ejercerá una fuerza de arrastre hacia abajo sobre el pilote. - Si existe un relleno de suelo orgánico por encima del estrato donde está hincado el pilote, el suelo orgánico se consolidará gradualmente, debido a la alta compresibilidad propia de este material, ejerciendo una fuerza de arrastre hacia abajo sobre el pilote. - El descenso del nivel freático incrementará el esfuerzo vertical efectivo sobre el suelo a cualquier profundidad, lo que inducirá asentamientos por consolidación en la arcilla. Si un pilote se localiza en el estrato de arcilla, quedará sometido a una fuerza de arrastre hacia abajo.


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b).- Este efecto incrementa la carga que actúa en el pilote y es generado por el desplazamiento relativo hacia abajo del suelo con respecto al pilote; deberá tomarse en cuenta cuando se efectúa pilotaje en suelos compresibles. 3.5.2.8 Análisis del efecto de la fricción negativa. a) Para analizar el efecto de la fricción superficial negativa se utilizarán los métodos estáticos, considerando únicamente en ellos la fricción lateral suelo – pilote, actuando hacia abajo. b) La fricción negativa debe considerarse como una carga adicional a la que trasmite la estructura. 3.5.2.9 Asentamientos. a).- Se estimará primero el asentamiento tolerable por la estructura y luego se calculará el asentamiento del pilote aislado o grupo de pilotes para luego compararlos. b).-En el cálculo del asentamiento del pilote aislado se considerarán: el asentamiento debido a la deformación axial del pilote, el asentamiento generado por la acción de punta y el asentamiento generado por la carga transmitida por fricción. c).-En el caso de pilotes en suelos granulares, el asentamiento del grupo está en función del asentamiento del pilote aislado. d).-En el caso de pilotes en suelo cohesivo, el principal componente del asentamiento del grupo proviene de la consolidación de la arcilla. Para estimar el asentamiento, en este caso, puede reemplazarse al grupo de pilotes por una zapata imaginaria ubicada a 2/3 de la profundidad del grupo de pilotes, de dimensiones iguales a la sección del grupo y que aplica la carga transmitida por la estructura. 3.5.2.10 Consideraciones durante la ejecución de la obra. Durante la ejecución de la obra deberán efectuarse pruebas de carga y la capacidad de carga deberá ser verificada por una fórmula dinámica confiable según las condiciones de la hinca. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 97

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS Pruebas de carga. a).- Se deberán efectuar pruebas de carga según lo indicado en la Norma ASTM D 1143. b).-El número de pruebas de carga será de una por cada lote o grupos de pilotes, con un mínimo de una prueba por cada cincuenta pilotes. c).- Las pruebas se efectuarán en zonas con perfil de suelo conocido como más desfavorables. 3.5.2.11 Ensayos diversos Adicionalmente a la prueba de carga, se recomiendan los siguientes ensayos en pilotes ya instalados: a) Verificación del buen estado físico b) Prueba de carga estática lateral, de acuerdo a las solicitaciones c) Verificación de la inclinación. 3.6 CIMENTACIÓN POR PILARES. Los pilares son elementos estructurales de concreto vaciados “in situ” con diámetro mayor a 1,00 m, con o sin refuerzo de acero y con o sin fondo ampliado. 3.6.1 Capacidad de carga La capacidad de carga de un pilar deberá ser evaluada de acuerdo a los mismos métodos estáticos utilizados en el cálculo de pilotes. Se tomará en cuenta los efectos por punta y fricción. 3.6.2 Factor de seguridad. La capacidad admisible se obtendrá dividiendo la capacidad última por el factor de seguridad. Se utilizarán los factores estipulados en la Sección 3.4. 3.6.3 Acompañamiento en la base del pilar. Se podrá acampanar el pilar en el ensanchamiento de la base a fin de incrementar la capacidad de carga del pilar, siempre y cuando no exista peligro de derrumbes. 3.6.4 Aflojamiento del suelo circundante El aflojamiento del suelo circundante deberá controlarse mediante: a) Una rápida excavación del fuste y vaciado del concreto. b) El uso de un forro en la excavación del fuste. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 98

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS c) La aplicación del Método del Lodo Bentonítico. 3.6.5 Asentamientos a) Una vez comprobada la capacidad de carga del suelo, deberá estimarse el grado de deformación que se producirá al aplicar las cargas. El asentamiento podrá ser un factor de limitación en el proyecto estructural del pilar. b) Se calculará el asentamiento debido a la deformación axial del pilar, el asentamiento generado por la acción de punta y el asentamiento generado por la carga transmitida por fricción. 3.6.6 CAJONES DE CIMENTACIÓN Los cajones de cimentación son elementos estructurales de concreto armado que se construyen sobre el terreno y se introducen en el terreno por su propio peso al ser excavado el suelo ubicado en su interior. El PR deberá indicar el valor la fricción lateral del suelo para determinar el peso requerido por el cajón para su instalación. 3.6.6.1 Capacidad de carga La capacidad de carga de un cajón de cimentación deberá ser evaluada de acuerdo a los mismos métodos estáticos utilizados en el cálculo de zapatas o pilares y dependerá de la relación profundidad /ancho (Df/B) si es menor o igual a cinco (5) se diseñará como cimentación superficial, si es mayor a cinco (5) se diseñará como un pilar. 3.6.6.2 Factor de seguridad La capacidad admisible se obtendrá dividiendo la capacidad última por el factor de seguridad. Se utilizarán los factores estipulados en la Sección 3.4 3.6.6.3 Asentamientos a) Una vez comprobada Una vez comprobada la capacidad de carga del suelo, se deberá calcular el asentamiento que se producirá al aplicar las cargas. b) Se calculará el asentamiento debido a la deformación axial del cajón, el asentamiento generado por la acción de punta y el asentamiento generado por la carga transmitida por fricción. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 99

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CIMETACIONES SUPERFICIALES Y PROFUNDAS 3.6 EJERCICIOS PRACTICOS


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CONCLUSIONES: 1)

CIMENTACIONES SUPERFICIALES:

 Las zapatas son cimentaciones superficiales o directas, como toda cimentación ha de garantizar, de forma permanente, la estabilidad de la obra que soporta.  El nivel de la cimentación deberá estar a una profundidad tal que se encuentre libre del peligro de heladas, cambios de volumen del suelo, capa freática, excavaciones posteriores.  Tendrá unas dimensiones tales que no estabilidad o capacidad portante del suelo.

superen

la

 No deberá producir un asiento en el terreno que no sea absorbible por la estructura. De las características geotécnicas del terreno y dentro de ellas, principalmente del ángulo de rozamiento interno y de la cohesión del terreno.  Los cimientos superficiales son aquellos que descansan en las capas superficiales del suelo, las cuales son capaces de soportar la carga que recibe de la construcción por medio de la ampliación de base.  El material más empleado en la construcción de cimientos superficiales es la piedra (básicamente tratándose de construcciones ligeras), en cualquiera de sus variedades siempre y cuando esta sea resistente, maciza y sin poros. Sin embargo, el concreto armado es un extraordinario material de construcción y siempre resulta más recomendable.



2)

CIMENTACIONES PROFUNDAS:

 Las cimentaciones profundas se emplean cuando los estratos de suelo o de roca situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar la carga, con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable. El hecho de llevar la cimentación hasta el primer estrato resistente que se encuentre no es suficiente, aunque esta sea la decisión que a menudo se toma, como fue el caso de la cimentación del hospital, pues la cimentación profunda debe analizarse de la misma manera que la que es poco profunda.  Con este trabajo llegué a la conclusión de que los pilotes son una parte muy importante para la construcción de cualquier obra para cimentar en lugares poco accesibles, ya que se requiere buen soporte y mucha profundidad en estos.  Tiene la función de transferir cargas de la superestructura y del resto de la infraestructura a través de estratos débiles o compresibles, a través del agua o aire, hasta estratos inferiores con la suficiente capacidad de carga como para soportar la estructura, comportándose el pilote como una extensión de columna o pilar. Estos estratos inferiores pueden ser rocas, arcillas duras o suelos de baja compresibilidad. Al pilote que reposa sobre estos estratos se le denomina "pilote de punta".  Alcanzar con la cimentación profundidades que no estén sujetas a erosión, socavaciones u otro efecto.  evitar los daños que puede producir una futura excavación a la cimentación de una edificación adyacente; en este caso el pilote lleva la carga de la cimentación debajo del nivel de excavación esperado.  Proteger estructuras marinas como muelles, atracaderos, contra impactos de barcos u objetos flotantes.  Objeto de una cimentación: transmitir al terreno de forma amortiguada las cargas estructurales que no se pueden transmitir directamente al mismo por ser un material de baja resistencia y elevada deformabilidad. BACH. ING. CIVIL FLAVIO FUENTES GUIZADO 120

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BIBLIOGRAFIA: -

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Aoki N. y Velloso D.A. (1975), "Un Método Aproximado para Calcular la Capacidad de Carga de Pilotes", V Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Buenos Aires, Argentina, pp 367-376. Bortolucci A.A., Albiero J.H. y Gonzaga S.C. (1988), "Programa para Cálculo de Capacidade de Carga em Estacas Fórmulas Empiricas", Simposio sobre Aplicaciones de Microcomputadores en Geotecnia, Microgeo 88, Brasil. Norma E-050.


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Tema Cimentaciones Superficiales y Profundas

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