Universidad De Oriente Núcleo Bolívar Escuela De Ciencias De La Tierra Cátedra: Mecánica de Suelos.
CAPACIDAD DE SOPORTE DE LOS SUELOS
Profesor:
Bachilleres:
Ramos Javier
González Anexis CI 20.503.384 Jiménez Diego CI 18.623.190 Vidal Oscar CI 19871191
Ciudad Bolívar, Marzo del 2011 1
INDICE
INTRODUCCION............................................ Error! Bookmark not defined. CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN SUELO ............ Error! Bookmark not defined. FACTOR DE
SEGURIDAD............................ Error! Bookmark not defined.
FUNDACIÓN O
CIMIENTO.......................... Error! Bookmark not defined.
FUNDACIONES HIDRÁULICAS ..................
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CONSOLIDACIÓN ......................................... Error! Bookmark not defined. ECUACIÓN GENERAL DE TERZAGHI PARA ZAPATA SUPER FICIALES ............................................ Error! Bookmark not defined. CONCLUSION................................................. Error! Bookmark not defined. BIBLIOGRAFIA ..............................................
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INTRODUCCION
Los suelos son el componente principal de la mayoría de los proyectos de construcción. Estos deben soportar cargas, pavimentos, servir como canales de agua, etc. Los suelos se pueden utilizar en el estado es que se encuentran o bien, ser excavados y tratados para adecuarlos al proyecto. El conocimiento de las características y propiedades de los suelos son muy importantes en el desarrollo de proyectos y también para el diseño. Desde 1933, Proctor inicio un estudio para entender las propiedades y composiciones de los suelos y aunque con algunas modificaciones, estos métodos aun se utilizan. La compactación es un proceso de la disminución o minimización de espacios vacíos por medio de la acción mecánica de los equipos de compactación. Durante este proceso se pude mejorar las características del suelo, con un aumento simultáneo de densidad. El suelo como un elemento que recibe diferentes estructuras construidas por el hombre como por ejemplo calles, estacionamientos, edificaciones, por lo que con la compactación de un suelo se busca; primero mayor capacidad de carga. Al compactar un suelo se obtiene mayor densidad del mismo, debido a lo anterior se obtiene una mejor distribución de fuerzas que actúan directamente sobre el suelo como consecuencia de la carga que transmite la carga, lo que nos da una mayor capacidad de carga. Por otra parte, mayor estabilidad. Al construirse alguna edificación sobre un suelo sin compactar o compactado en forma desigual, el suelo por la acción de la carga, se asienta en forma desigual, lo cual ocasionara grietas en la estructura, y en un momento dado la inestabilidad de la construcción. También se busca la disminución de la contracción del suelo. Al existir espacios de aire en el suelo, el agua penetra con facilidad, por lo que se produce un fenómeno de dilatación y contracción del suelo, el cual se separa de la estructura, modificando las condiciones iniciales de diseño. La disminución de la permeabilidad, la permeabilidad de un suelo depende de la granulometría del suelo y de su densidad, un suelo bien compactado impide el paso del agua, evitando así deformaciones en el suelo, modificando las características de diseño, como es el caso de los baches. Y por ultimo, la disminución de asentamiento. Cuando un suelo esta mal compactado, en esos espacios se puede llenar de agua, el cual con bajas temperaturas se congela, y en los cambios de estado puede producir agrietamiento en la estructura de los pavimentos, bases de estructuras, muros, entre otros.
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CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN SUELO
La capacidad portante es a la capacidad de soporte del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él. Técnicamente la capacidad portante es la máxima presión media de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzcan un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto la capacidad portante admisible debe estar basada en uno de los siguientes criterios funcionales:
y
y
Si la función del terreno de cimentación es soportar una determinada tensión independientemente de la deformación, la capacidad portante se denominará carga de hundimiento. Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensión aplicada al terreno y la deformación sufrida por éste, deberá calcularse la capacidad portante a partir de criterios de asiento admisible.
Las propiedades mecánicas de un terreno suelen diferir frente a cargas que varían (casi)instantáneamente. Esto se debe a que los terrenos son porosos, y estos poros pueden estar total o parcialmente saturados de agua. En general los terrenos se comportan de manera más rígida frente a cargas de variación quasinstantánea ya que éstas aumentan la presión interesticial, sin producir el desalojo de una cantidad apreciable de agua. En cambio bajo cargas permanentes la diferencia de presión intersticial entre diferentes partes del terreno produce el drenaje de algunas zonas. En el cálculo o comprobación de la capacidad portante de un terreno sobre el que existe una construcción debe atenderse al corto plazo (caso sin d renaje) y al largo plazo (con drenaje). En el comportamiento a corto plazo se desprecian todo los términos excepto la cohesión última, mientras que en la capacidad portante a largo plazo (caso con d renaje) es importante también en rozamiento interno del terreno y su peso específico. La capacidad de soporte del suelo de fundación, se estableció a partir de la teoría general elaborada por Terzaghi y las modificaciones posteriores. Esta teoría se basa en que las resistencias corresponden al peso del suelo y a la sobrecarga, y que pueden calcularse independiente una de otra.
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Terzaghi, propuso una fórmula sencilla para la carga máxima que podría soportar una cimentación continua con carga vertical centrada,1 apoyada sobre la superficie de un suelo dada por:
FACTOR DE SEGURIDAD.
El Factor de seguridad es el cociente entre un número que mide la capacidad máxima de resistencia un sistema dividido de los requerimientos teóricos o asumidos como usuales. En ingeniería, arquitectura y otras ciencias aplicadas es común que los cálculos de dimensionado de elementos o componentes de maquinaria, estructuras constructivas, instalaciones o dispositivos en general, incluyan un coeficiente de seguridad que garantice que en bajo desviaciones aleatorias de lo previsto exista un margen extra de prestaciones por encima de las mínimas estrictamente necesarias. El conocimiento de los esfuerzos los utiliza el ingeniero para realizar los siguientes trabajos: 1. Análisis de estructuras y máquinas existentes o propuestas, para predecir su comportamiento en condiciones de carga especificadas. 2. Diseño de nuevas estructuras y máquinas que cumplirán su función de una manera segura y económica.
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Para poder realizar cualquiera de las anteriores tareas debe saberse cómo se comportará el material que se utilizará, en condiciones de carga conocidas. Para un material dado, esto se determina realizando pruebas específicas en muestras preparadas del material. Varios métodos de prueba están disponibles para hallar el esfuerzo cortante último o resistencia última a cortante
de un material. El más común involucra la torsión de un tubo circular.
Uno más directo, aunque menos exacto, consiste en fijar una barra rectangular o redonda en una herramienta de cortante (véase la figura 1) y aplicar una carga creciente P hasta obtener la carga última P U de cortante simple. Si el extremo libre de la muestra reposa en los dos dados endurecidos (véase la figura 2) se obtiene la carga última a cortante doble. En cualquier caso, el cortante último X U se obtiene dividiendo la carga última por el área total donde el esfuerzo cortante tiene lugar. Recuérdese que en el caso del cortante simple el área es la sección transversal A de la muestra, mientras que en el cortante doble es dos veces la sección transversal.
Para los taludes el factor de seguridad se calcula en base a la fórmula:
siendo Fc= cohesión por el área de tierra susceptible de caer. w el peso sobre el talud. u la presión intersticial provocada por el agua. el ángulo de fricción interna. el ángulo previsible de desplazamiento. 6
FUNDACIÓN O CIMIENTO
Es la obra en contacto con la tierra, destinada a la transmisión de la carga muerta del edificio y el efecto dinámico de las cargas móviles que actúan sobre él, viento incluido. La carga hace que el suelo se deforme, se hunda y es exigencia primordial que los asientos de las distintas partes de una fundación sean compatibles con la resistencia general de la construcción. El comportamiento del suelo es decisivo en el éxito de la cimentación. La ejecución de un cimiento supone la de un movimiento de tierra, de aquí que es corriente que el examen de los trabajos de excavación, medios de entibación y achique, vaya indisolublemente ligados al estudio de los cimientos. La elección de un tipo de cimiento depende de múltiples factores, tan íntimamente ligados que no permiten excepción, considerarlos independientemente. El éxito de una cimentación no se relaciona solamente con el comportamiento del terreno en el plano de apoyo. Las características fisiométricas en ese lugar y en el momento de la obra pueden llegar a ser bien conocidas mediante ensayos de laboratorios, pero esta siempre la incógnita de su cambio con el tiempo y la presencia de factores no previstos, capaces de introducir nuevas variantes, en ocasiones indeterminadas, erráticas o aleatorias (la presencia de una piedra grande, por ejemplo, que haya escapado a los sondeos puede romper o desviar un pilote). Dentro de estos TIPOS de variables, se encuentran las condiciones de las capas subyacentes en profundidad, el propio tamaño del cimiento, la distancia relativa entre basamentos próximos, la presencia de edificios existentes o la posibilidad de futuras construcciones. Los sistemas de cimentación pueden ser clasificados en: y
Fundaciones Superf iciales o directas
y
Zapatas aisladas. zapatas atirantadas. zapatas y vigas de fundación. zapatas corridas. Zapata continua Losas de espesor constante. Losas con capiteles. Losas nervadas. Losas f lotantes.
Fundaciones Profundas o por pozos 7
Pilotes pref abricados. Pilotes in situ.
y
Fundaciones indirectas o por pilotes
y
y
Fundaciones hidráulicas
Fundaciones por consolidación
undaciones superficiales o directas:
F
Una fundación se llama superficial o directa cuando el plano de asiento de los cimientos se encuentra a poca profundidad, entendiendo por poca profundidad aquella que puede ser alcanzada con la excavación corriente de bajo costo y poca dificultad, sean los medios mecánicos o brazo. Cuando, en cambio, el plano de asiento se encuentra tan profundo que solo puede ser alcanzado mediante trabajos especiales de mucha dificultad y costo, la fundación se llama profunda o por pozos, por ser este el medio más corriente de realizarla. A veces ni siquiera hay plano de asiento, la fundación se opera desde la superficie, hincando largas estructuras que trabajan de punta o por fricción: es el pilotaje o fundación indirecta. Sea la fundación superficial o profunda, la presencia de agua crea técnicas operativas especiales que autorizan a dar categoría propia a las fundaciones hidráulicas, en sus dos tipos: con agotamiento, es decir con extracción de agua y sin agotamiento, es decir sin extracción. A veces es posible mejorar la capacidad de soporte del suelo mediante tratamientos especiales para apoyar sobre el un tipo cualquiera de estructura, esta es la consolidación. Finalmente cuando es necesario llevar al plano de asiento de un cimiento existente, a un nivel inferior, se tiene la subfundación o recalce, llamada comúnmente submuración. Este es el tipo de cimentación obligado en las pequeñas edificaciones que solo son capaces de trasmitir al suelo cargas bajas y en las que razones de orden económico limitan a porcentajes muy estrictos la incidencia del cimiento sobre el costo total de la obra. La fundación superficial es usada también cuando el proyecto incluye la construccion de sótanos y por ese motivo el fondo queda ya preparado para recibirla. El tipo mas sencillo es la base o zapata aislada, que recibe le carga de una columna o pilar y la lleva a tierra mediante un pequeño ensanchamiento. Esta es la solución mas económica. Una hilera de columnas próximas que requieran zapatas suficientemente 8
grandes como para que lleguen a tocarse o superponerse, lleva la idea de zapata continua, esta es la fundación natural de los muros. Varias zapatas continuas paralelas, suficientemente próximas como para que lleguen a tocarse o superponerse, producen la platea, una zapata de grandes dimensiones. Por razones de economía y sencillez de ejecución, el material mas adecuado es el hormigón, simple o armado. Como en la mayoría de las zapatas y plateas, el esfuerzo dominante es la flexión, el uso del hormigón armado es casi total.
ZAPATAS. Las zapatas ³ cimentaciones en zonas aisladas de la estructura ³ son los tipos mas utilizados y se utilizan cuando el terreno tiene en su superficie una resistencia media o alta con respecto a las cargas de la estructura. Es homogénea como para ser afectadas por asentamientos diferenciales entre las distintas partes. y
ZAPATAS AISLADAS.
Son de carácter puntual, generalmente están constituidas por dados de hormigón de planta cuadrada. Las fundaciones de zapata en general constituyen los tipos más usados tanto por su economía como por su sencillez de construcción. y
ZAPATAS ATIRANTADAS.
Son de carácter puntual y trabajan de forma independiente, pero se encuentran unidas por una cadena apoyada al terreno la cual se diseña para evitar el movimiento horizontal relativo entre zapatas aisladas o para unir una zapata aislada a una función corrida.
y
ZAPATAS Y VIGAS DE FUNDACIÓN.
La viga de fundación es un elemento estructural que permite tomar las cargas de muro y transmitirlas a zapatas aisladas. Puede haber varias razones para querer diseñar zapatas con vigas de fundación. Por ejemplo: Como una forma de ahorrar en comparación a la alternativa de zapata corrida. En algunos casos es conveniente hacer que el peso de los muros descanse sobre la zapata para aumentar las cargas horizontal y equilibrar momentos descompensados en el apoyo. 9
y
ZAPATAS CORRIDAS.
Cuando se trate de pilares alineados muy próximos a muros, o de equilibrar cargas excéntricas sobre las zapatas contiguas, se considera directamente el empleo de una zapata continua o zapata corrida.
y
ZAPATA CONTINUA
La viga invertida es el principal elemento de soporte y para ella se ha dibujado en la parte inferior del diagrama de momentos y con trazos gruesos la ubicación de la armadura principal. Como el comportamiento de los suelos es indefinido, tanto en este caso como en otros, es prudente que la armadura de las vigas y refuerzos de cimiento sea doble, para prevenir momentos de flexion en cualquier sentido. El ancho a puede ser variable en correspondencia con la mayor o menor carga de las columnas.
2.- LOSAS. Las losas ³cimentación sobre toda la superficie de la estructura ³ se emplean en terrenos menos resistentes o menos homogéneos o bajo estructuras menos resistentes. Con ellas se aumenta la superficie de contacto y se reducen los asentamientos diferenciales. Puede decirse de forma aproximadamente que la losa es más económica que las zapatas si la superficie total de estas es superior a la mitad de la superficie cubierta por el edificio, debido al menor espesor de hormigón y cuantía de armaduras, a una excavación más sencilla y un ahorro de encofrados. y
LOSAS DE ESPESOR CONSTANTE.
Tiene la ventaja de su gran sencillez de ejecución. Si las cargas y las luces no son importantes el ahorro de encofrados puede compensar el mayor volumen de hormigón necesario. y
LOSAS CON CAPITELES.
Se utilizan para aumentar el espesor bajo los pilares y mejorar la resistencia a flexión y cortante. Los capiteles pueden ser superiores o inferiores teniendo estos últimos la ventaja de realizarse sobre la excavación y dejar plana la superficie del sótano.
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y
LOSAS NERVADAS.
Con nervios principales bajos los pilares y otros segundarios los nervios pueden ser superiores o inferiores, en el caso de nervios superiores el encofrado es mas complicado, y suele ser necesario el empleo de un relleno de aglomerado ligero y un solado independiente para dejar plana la superficie superior. Los nervios inferiores pueden hacerse sobre la excavación.
y
LOSAS FLOTANTES
Cuando es necesario construir estructuras muy sensibles a asentamientos en terrenos pobres puede recurrirse a fundaciones de loza flotante. La fundación debe hacerse de dimensiones tales que el peso del volumen de tierra removida sea similar a la carga producto del peso de la estructura. En esta forma las condiciones de carga en la superficie del terreno de fundación no han sido teóricamente modificadas por la construcción, de modo que será razonable suponer que los asentamientos serán bajos o nulos.
PILOTAJE
El pilote recibe la carga y la trasmite al suelo de dos maneras: de punta, como si fuese una columna apoyada sobre un plano resistente, y por frotamiento lateral contra el suelo. En algunas ocasiones este frotamiento puede resultar suficientemente intenso como para que toda la carga sea absorbida por fricción: la cimentación recibe entonces el nombre de flotante. Se distinguen dos tipos: pilotes prefabricados y pilotes moldeados in situ. Para los prefabricados se usan la madera, el hierro y el hormigón armado. Con una maquina se levanta cada unidad, se la apoya de punta sobre el suelo y se la fuerza a golpes hasta enterrarla en la longitud requerida. Los de madera y hormigón llevan una protección en la punta llamada azuche. Para no dañar el extremo superior se intercala otra pieza metálica entre la cabeza y el martillo. Los pilotes de madera y los de hierro necesitan ser protegidos en toda la zona de fluctuación de las aguas superficiales o de napa, para lo cual se los embebe en macizos de hormigón en toda la altura necesaria. 11
Estos inconvenientes desaparecen con el empleo de pilotes moldeados en su propio agujero. Premoldeado o en situ, el pilote no recibe de un modo directo la carga, sino por la interposición de un elemento llamado cabezal, el cabezal correspondiente a un grupo de pilotes puede llegar a ser una estructura muy importante. El pilotaje no esta libre de inconvenientes. Los más frecuentes accidentes son: desviación o rotura por la presencia de bloques erráticos, viejas fundaciones, etc.; roturas por falla del material durante la hinca.
FUNDACIONES HIDRÁULICAS
En los terrenos inundado, el ingeniero se ve obligado a trabajar en dos únicas alternativas o saca el agua u opera con ella. En el primer usa de las bombas, si la capacidad de estas es suficiente para extraer toda el agua que se presenta, se tiene la cimentación con agotamiento hidráulico, si en cambio, las bombas no fuesen capaces de producir el agotamiento total, se tiene la fundación por depresión del nivel freático. En algunos casos no es posible ni el agotamiento ni la depresión, se tiene entonces la fundación hidráulica sin agotamiento. a- Fundaciones con agotamiento: Cuando las venas de agua son débiles y el terreno tiene la necesaria consistencia para zanjearlo, es suficiente el drenaje hacia puntos mas bajos que el nivel general de la excavación. Si esto es posible, se prefiere dar a estos drenajes de carácter de permanentes con lo cual se asegura al cimiento una vida totalmente libre de aguas, con todas las ventajas que esto significa. Cuando esto no es posible, los drenes mueren en pozos y de estos el agua se extraen con bombas, cuando estas se retiran el agua invade nuevamente el cimiento, cosa que en el proyecto habrá sido prevista para dotarlo de una correcta protección. b- Fundaciones con depresión a nivel freático: La excavacion futura queda encerrada dentro de un cinturon de pozos filtrantes previamente perforados, tan profundos como sea necesario y separados a distancias convenientes según sean la calidad del terreno y la potencia de la napa. El bombeo provoca el descendimiento del nivel freático y de esa manera puede hacerse la excavación sin ningún riesgo. En este sistema el bombeo debe ser permanente hasta que el desarrollo de la obra permita suspenderlo. c- Fundación sin agotamiento: Son tres los tipos, esencialmente distintos: las escolleras, los cajones con y sin fondo y los cajones neumáticos. La escollera, consiste en un relleno del fondo subacueo con un pedraplen, arrojado desde la superficie, previa preparación del lecho por dragado. Suele usarse también grandes bloques prismáticos y tetrápodos de hormigón.
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El cajón con fondo es una importante estructura hueca de hormigón que se construye en obrador, se lleva por flotación hasta el sitio de su emplazamiento y allí se lo hunde lastrándolo. El cajón sin fondo, suele tener uno provisorio para emplazarlo por flotación, allí se rompe el fondo, el cajón se hunde y desde la superficie se excava su interior con una cuchara para obligarlo a hundirse, en un proceso similar al de la fundación por pozos. El cajón neumático tiene el fondo abierto, pero herméticamente cerrada la boca superior, se inyecta el aire comprimido en la cámara interior y de esa manera el agua no solo es expulsada sino también impedida de volver a entrar.
En este ambiente se instalan los obreros y van descalzando interiormente el cajón que comienza a hundirse, simultáneamente sobre el se sigue sobreelevando la obra. Este es un trabajo sumamente delicado y de bajo rendimiento: el operario necesita un periodo de adaptación a la presión antes de comenzar cada jornada y otro de descompresión al terminarla.
CONSOLIDACIÓN
La idea básica de este tipo de fundación es la de mejorar por medios artificiales las condiciones del terreno para asentar sobre el algunas de las fundaciones. Se trata de aumentar su capacidad de soporte mediante su compactación puramente mecánica o su endurecimiento por medios químicos. Son dos los tipos de compactación: a- Congelamiento: Esta es una consolidación temporaria. El terreno es llevado a temperaturas bajas, solidificándose en macizos de alta capacidad de soporte que lo convierten en auto portante y le permiten servir de muro de contención de los suelos adyacentes. Hecha la obra se retira el sistema refrigerante y el terreno vuelve a su situación anterior. b- Compactación: En este caso la consolidación es permanente y se la tiene en cuenta como un elemento de la obra definitiva.
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La compactación se realiza de dos maneras: 1- Vibrando la masa, con lo que se consigue que disminuya de volumen con el consiguiente aumento de la densidad. 2- Introduciendo pilotes en cantidad suficiente para producir la requerida diminución de volumen y el correlativo aumento de densidad. Los pilotes son por supuesto parte de la obra definitiva. c- Inyecciones petrificantes: También es un tipo de consolidación permanente, intensamente usado para el cegado de las grietas en rocas fisuradas. Para estas, el cemento a presión es la materia indicada.
ECUACIÓN GENERAL DE TERZAGHI PARA ZAPATA SUPER FICIALES.
Formula d e capacidad de carga d e carga d e Terzaghi:
(Utiliza solamente factores de resistencia) qu =
c.Nc + q.Nq + 0,5. . B. N
Para Zapatas continuas
qu = 1,3 .c.Nc + q.Nq + 0,4. . B. N
Para Zapatas cuadradas
qu = 1,3 .c.Nc + q.Nq + 0,3. . B. N
Para zapatas circulares
Donde: qu = Tensión ultima o de rotura c = Cohesión del suelo q = Presión efectiva de la tapada = Densidad efectiva del suelo B = Lado menor o diámetro de la fundación Nq, Nc, Ng = factores de capacidad de carga
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CONCLUSION
Ya finalizado este trabajo podemos decir que la capacidad portante es a la capacidad de soporte del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él. Y Las propiedades mecánicas de un terreno suelen diferir frente a cargas que varían (casi)instantáneamente. La capacidad de soporte del suelo de fundación, se estableció a partir de la teoría general elaborada por Terzaghi y las modificaciones posteriores. Esta teoría se basa en que las resistencias corresponden al peso del suelo y a la sobrecarga. El Factor de seguridad es el cociente entre un número que mide la capacidad máxima de resistencia un sistema dividido de los requerimientos teóricos o asumidos como usuales. Para los taludes el factor de seguridad se calcula en base a la fórmula:
siendo Fc= cohesión por el área de tierra susceptible de caer. w el peso sobre el talud. u la presión intersticial provocada por el agua. el ángulo de fricción interna. el ángulo previsible de desplazamiento. Entre los tipos de fundaciones tenemos: y y y y y
undaciones Superficiales o directas Fundaciones Profundas o por pozos Fundaciones indirectas o por pilotes Fundaciones hidráulicas Fundaciones por consolidación F
La consolidacion Se trata de aumentar su capacidad de soporte mediante su compactación puramente mecánica o su endurecimiento por medios químicos. Son tres los tipos de compactación a- Congelamiento b- Compactación
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BIBLIOGRAFIA
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