UNIVERSIDAD CATÓLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA DE CIVIL AMBIENTAL
FALLAS EN CIMENTACIONES INTEGRANTES: ASALTE YUPTON, WALTER MARTINEZ SAENZ, KEVIN URIARTE DÁVILA, GERMÁN MILLONES CUMPA, DAVID ROJAS OBLITAS, EDU ESPEJO URBINA, JOSELINE
Chiclayo, 7 de Noviembre del 2013
INTRODUCCIÓN Las teorías de capacidad de carga desarrolladas a partir de 1920, proporcionaron una base más o menos científica a la base de las cimentaciones. Combinadas con el creciente conocimiento de los suelos y sus propiedades mecánicas y con el mejoramiento de las técnicas de medición de campo, han permitido en la actualidad el desarrollo de una metodología de proyecto y construcción de cimentaciones mucho más racional y avanzada que la que nunca antes poseyó el ingeniero. Siempre que un suelo se exponga a solicitaciones debidas a las cargas que las diferentes obras transmitan, es importante revisar la capacidad de soporte del suelo, así como las deformaciones que puede sufrir éste. Para realizar ambos análisis es importante conocer la estratigrafía y propiedades mecánicas de los suelos que se encuentran en el sitio, así como las características de la obra y poseer un conocimiento teórico y práctico de mecánica de suelos para adoptar la cimentación más adecuada. En el presente trabajo sobre “Fallas en cimentaciones” se expondrá brevemente los aspectos teóricos fundamentales de la mecánica de suelos para la evaluación de la capacidad de carga en cimentaciones superficiales, el cual está desarrollado en la teoría de Terzaghi. La parte inferior de una estructura se denomina generalmente cimentación y su función es transferir la carga de la estructura al suelo en que esta descansa. Una cimentación adecuadamente diseñada es la que transfiere la carga a través del suelo sin sobreesforzar a este. Sobreesforzar al suelo conduce a un asentamiento excesivo o bien a una falla cortante del suelo, provocando daños a la estructura. Por esto los ingenieros civiles estructurales que diseñan cimentaciones deben evaluar la capacidad de carga de los suelos.
METODOS TIPICOS DE FALLA EN EL SUELO Cuando una cimentación 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, es decir, la carga por área unitaria de la cimentación bajo la cual ocurre la falla por corte del suelo se llama capacidad de carga última
.
Factores que afectan la capacidad de carga: 1. La profundidad de la cimentación. 2. El nivel freático. 3. Ángulo de fricción interna 4. Estratificación del suelo.
La carga admisible
en una cimentación es aquella que puede ser aplicada sin producir
desperfectos en la estructuras soportada, teniendo además, un margen de seguridad dado por el llamado factor de seguridad adoptado.
Así han sugerido algunos hechos significativos en torno al problema de la capacidad de carga y en lo referente a los mecanismos de falla. Por experiencias y observaciones relativas al comportamiento de las cimentaciones se ha visto que la falla por la capacidad de carga de las mismas como producto de una ruptura por corte del suelo de desplante de la cimentación. Son tres tipos clásicos de falla bajo las cimentaciones. 1. FALLA POR CORTE GENERAL(Terzagui, 1943)
Patrón de falla bien definido (cuña de suelo y dos superficies de deslizamiento continuo dentro del terreno), la superficie de deslizamiento se inicia en el borde de la cimentación y que avanza hasta la superficie del terreno. La superficie del terreno a la zapata se levanta y puede rotar (inclinándose) La falla es violenta y catastrófica.
Esta falla es típica dearena densas, arcillas duras, suelos cohesivos firmesy de las arenas compactadas cuando el cimiento esta desplantado a poca profundidad.
Esquema de la rotura general del suelo: I= cuña del estado elástico II = zona del estado activo III = zona en estado pasivo
Cuando la carga por área unitaria es igual a
tiene lugar una falla repentina en el
suelo que soporta la cimentación, y la superficie de falla en el suelo se extenderá hasta la superficie del terreno.
2. FALLA POR CORTE LOCAL. (Terzagui, 1943; De Beer y Vesic,1958)
Patrón de falla sólo está bien definido debajo de la zapata. Se define claramente un asentamiento del cimiento aunque menor que en la falla por punzonamiemto. Tendencia visible al levantamiento del terreno alrededor de la zapata. No se producirá un colapso catastrófico de la zapata ni una rotación de la misma.
Esta forma de rotura se aplica si la cimentación descansa sobre arena o suelo arcilloso de compactación media Constituye un modo transicional entre falla general y falla por punzonamiemto. Esquema de la rotura general del suelo: I = cuña del estado elástico II = zona del estado activo
Cuando la carga por área unitaria sobre la cimentación es igual a qu1(carga primera de falla), el movimiento de la cimentación estará acompañado por sacudidas repentinas. Entonces se requiere un movimiento considerable de la cimentación para que la superficie de falla se extienda a la superficie del terreno. La carga por área unitaria a la
que esto ocurre es la capacidad de carga última (qu)en el que se produce un hundimiento repentino, a partir del cual el aumento de carga producirá grandes incrementos de los asientos, no apareciendo una carga de hundimiento clara. Además, obsérvese que un valor máximo de q no se presenta en este tipo de falla.
3. FALLA POR PUNZONAMIEMTO. (De Beer y Vesic, 1958;Vesic, 1963)
Esta falla se caracteriza por un patrón que no es fácilmente observable al aumentar la carga. El movimiento vertical de la cimentación se debe a una compresión volumétrica del suelo bajo ella y cuando el hundimiento aumenta ocurre una ruptura vertical, por corte alrededor del cimiento. Al seguir aumentando la carga se sigue manteniendo el equilibrio del cimiento tanto vertical como horizontalmente y no llega a producirse un colapso visible, a excepción hecha de pequeños asentamientos bruscos del cimiento. Si se quiere mantener creciente el asentamiento, es preciso un aumento también continuo de la carga vertical. El suelo fuera del área permanece prácticamente inalterado y no se produce rotación. Esta falla es típica en arenas muy sueltas o en suelos cohesivos blandos o muy blandos.
Esquema de la
rotura
general del suelo: I = cuña del estado elástico
La superficie de falla en el suelo no se extenderá hasta la superficie del terreno. Más allá de la carga ultima de falla (qu). La grafica carga vs asentamiento, será muy empinada y prácticamente lineal
LA TEORÍA DE TERZAGHI Esta teoría es uno de los primeros esfuerzos por adaptara la mecánica de suelos, los resultados de la mecánica del medio continuo. La teoría cubre el caso más general de suelos con “cohesión y fricción”. La teoría de Terzaghi es posiblemente la más usada para el cálculo de la capacidad de carga última en el caso de cimientos superficiales y rugosos.
La expresión cimiento poco profundo o superficiales se aplica al caso en que el ancho B es igual o mayor que la distancia vertical de la superficie del terreno natural y la base del cimiento (profundidad de desplante Df).Sin embargo investigaciones posteriores sugieren que cimentaciones con Df igual a 3 o 4 veces el ancho de la cimentación pueden ser definidas como superficiales. En estas condiciones Terzaghi despreció la resistencia al esfuerzo cortante arriba del nivel de desplante del cimiento.
Supuso que el terreno sobre la base del cimiento solo produce un efecto que puede representarse por una sobrecarga q = γDf, actuante precisamente en un plano horizontal que pase por la base del cimiento, en donde γ es el peso específico del suelo (figura 1).
CIMIENTO POCO PROFUNDO Sin aplicar carga
Aplicando carga (Despreciando la resistencia al esfuerzo cortante)
Figura 1: Equivalencia del suelo sobre el nivel de desplante de un cimiento con una sobrecarga debida a su peso. Con base en los estudios de Prandtl, para el caso de un medio puramente cohesivo, extendidos para el caso de un suelo cohesivo y friccionante, Terzaghi propuso el mecanismo de falla que se muestra en la figura 2, para un cimiento poco profundo, de longitud infinita (cuando la relación entre el ancho y la longitud de la cimentación tiende a cero)
DESCRIPCIÓN: -
La zona I es una cuña que se mueve como cuerpo rígido con el cimiento, verticalmente hacia abajo.
-
La zona II es de deformación tangencial radial; la frontera AC de esta zona forma con la horizontal el ángulo φ, cuando la base del cimiento es rugosa; si fuera idealmente lisa, dicho ángulo sería 45 + φ/2. La frontera AD forma un ángulo de 45 - φ/2 con la horizontal, en cualquiera de los dos casos.
-
La zona III es una zona de estado plástico pasivo de Rankine.
Figura 2: Mecanismo de falla de un cimiento poco profundo y continuo
La penetración del cimiento en el terreno solo será posible si se vencen las fuerzas resistentes que se oponen a dicha penetración; éstas comprenden al efecto de la cohesión en la superficie AC y la resistencia pasiva del suelo desplazado, actuante en dichas superficies. Despreciando el peso de la cuña I y considerando el equilibrio de fuerzas verticales, Terzaghi dedujo una expresión para determinar la presión máxima que puede aplicarse al cimiento por unidad de longitud, sin provocar su falla; es decir, la capacidad de carga última del cimiento; dicha expresión es:
(Cimentación corrida)
DONDE: -
es la capacidad de carga última del cimiento (F L-2)
-
es la cohesión del suelo de soporte (F L-2)
-
peso especifico del suelo (FL-3)
-
es la profundidad de desplante o profundidad de cimentación, medida verticalmente desde la superficie del terreno natural a la base del cimiento
-
es el ancho del cimiento
-
son coeficientes adimensionales que dependen solo del ángulo de fricción interna φ del suelo y se denominan “factores de capacidad de carga”, debidos a la cohesión, a la sobrecarga y al peso del suelo respectivamente. Los factores de capacidad de carga se obtienen de la figura 3 en forma gráfica.
Figura 3: Factores de capacidad de carga en forma gráfica
Figura 4: Factores de capacidad de carga por tabulación según Vesic
Figura 4: Factores de capacidad de carga por tabulación según Kumbhojkar
Debido notarse que en la figura 3. Aparece tres curvas que dan los valores de
γ;
están en
función del ángulo φ y aparecen también otras tres curvas que dan valores modificados de esos factores,
γ
(líneas discontinuas en la figura). La razón de ser de estas últimas tres
curvas es la siguiente: El mecanismo de falla mostrado en la figura 4
La expresión de capacidad de carga última presentada anteriormente, supone, según el mecanismo de falla propuesto, que al ir penetrando el cimiento en el suelo se va produciendo cierto desplazamiento lateral de modo que los estados plásticos desarrollados incipientemente bajo la carga se amplían hasta los puntos E y E’, en tal forma, que en el instante de la falla, trabaja toda la longitud de la superficie de falla al esfuerzo límite; a este mecanismo se le conoce como “falla general”.
Sin embargo, en materiales granulares sueltos (compacidad relativa <70 %) o arcillosos blandos, con curva esfuerzo deformación como la C2, en la cual la deformación se incrementa significativamente para cargas cercanas a la de falla, Terzaghi consideró que al penetrar el cimiento no logra desarrollarse el estado plástico a lo largo de toda la longitud de la superficie de falla hasta los puntos E y E’, sino que la falla ocurre antes, a carga menor, debido al nivel de asentamiento alcanzado en el cimiento, lo cual, para fines prácticos equivale a la falla del mismo. A este tipo de falla Terzaghi lo denominó “falla local”.
Capacidad de carga última, falla local. Para determina la capacidad de carga última con respecto a la falla local, Terzaghi corrigió su teoría de un modo sencillo, introduciendo nuevos valores de “c” y “φ” en la siguiente forma:
Por lo anterior, la expresión de la capacidad de carga última respecto a la falla local está dada por la expresión:
’
’
’
Cimientos de longitud finita. La teoría de Terzagui se refiere únicamente cimientos continuos (longitud infinita). Para el caso de cimientos cuadrados o circulares (tan frecuentes en la práctica), no existe ninguna teoría, ni aún aproximada. Terzagui propuso las siguientes fórmulas modificando la expresión fundamental, basado en resultados experimentales. -
Zapata cuadrada GENERAL LOCAL
-
Zapata circular GENERAL LOCAL
Donde: R es el radio del cimiento (L) (Cimentación circular)
FALLA GENERAL
FALLA LOCAL EXPRESION GENERAL ’ ZAPATA CUADRADA
ZAPATA CIRCULAR
’
’
EJERCICIO DE APPLICACION
Se tiene un suelo con las siguientes propiedades: ⁄ ⁄
Considerando tales propiedades determine las dimensiones necesarias para los cimientos de una columna y un muro, que transmiten cargas de (columna) y (muro) Profundidad de desplante y factor de seguridad
a) COLUMNA (zapata cuadrada) Para
de tablas se obtiene:
Sustituyendo los valores
El lado del cuadrado B debe cumplir:
Resolviendo la ecuación:
b) MURO (cimentación corrida) Para
de tablas se obtiene:
Sustituyendo los valores
El ancho debe cumplir:
Resolviendo la ecuación:
CONCLUSIONES Aunque son bastante bien conocidas las diferencias entre los tipos de falla, no existe un criterio numérico general que permita predecir el tipo de rotura que se presentará, aunque puede decirse que el tipo de falla dependerá de la compresibilidad del suelo en cuanto a las condiciones geométricas y de carga existente. En un suelo prácticamente incompresible el tipo de falla será por corte general; sin embargo, si el suelo es muy compresible en relación con su resistencia al corte el tipo de falla será por punzonamiento. La solución de Terzagui asume que existen tres zonas con movimientos diferentes bajo y alrededor de la aplicación de la carga, estas son: Zona I, Zona II y Zona III. La capacidad de carga última depende de los siguientes factores: peso específico del suelo, cohesión, ancho del cimiento, nivel de desplante y del ángulo de fricción, este último es hallado por el ensayo de corte directo. Por experiencias y observaciones relativas al comportamiento de las cimentaciones se ha visto que la falla por la capacidad de carga de las mismas ocurre como producto de una ruptura por corte del suelo de desplante de la cimentación, siendo tres tipos clásicos de falla bajo las cimentaciones, estos son: falla por corte general, por corte local y por punzonamiento.
BIBLIOGRAFÍA
Angelica, Silvia. Scribd. http://es.scribd.com/doc/23735288/TEORIA-DE-TERZAGHI (último acceso: 29 de Setiembre de 2013) M.Das, Barja. Principios de Ingeniería en cimentaciones. México DF: CENGAGE learning, 2001. M.Das, Braja. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. México DF: CENGAGE Learning, 2001. Martínez, Olmos. Cimentaciones superficiales. Diseño de zapatas. Valladolid: Universidad de Valladolid, 2007. Rodríguez, Juárez Badillo y Rico. Mecánica de Suelos. Tomo 2. México DF: Limusa, 1984.
