Diseño Geotécnico de Cimentaciones Superficiales y Profundas. M.C . Jorge Ordóñez Ruiz Director General de Geortec , S.A. de C.V.
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Diseño Geotécnico de
Cimentaciones
Superficiales y Profundas.
M.C
. Jorge Ordóñez Ruiz
Director General de
Geortec
, S.A. de C.V.
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DISEÑO DE CIMENTACIONES
1.- TIPOS DE CIMENTACIONES•Superficiales•Profundas2.- ELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL.•Cimentaciones aisladas.•Cimentaciones corridas.•Losa de cimentación.3. ELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACIÓN PROFUNDA.•Pilotes•Pilas.•Cajones de cimentación.•Cilíndros.3.- CONSIDERACIONE GEOTÉCNICAS•Estado Límite de Falla (Capacidad de carga)•Estado Límite de Servicio (Asentamientos)4.- HÍPOTESIS SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL5.- EJEMPLOS.
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El tipo de cimentación seleccionada dependeránecesariamente de las cargas que actúan directamentesobre ella y de las características y condiciones del sueloen donde se va a desplantar la superestructura.
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1) Zapata aislada
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2) Con nervaduras y placa de cimentación.
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3) Placa de cimentación con escarpes.
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1) Losa de cimentación rectangular.
Zapatas continuas o corridas.
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2) Zapata corrida trapezoidal
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3) Cimentación superficial combinada
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*TERRENO (FIRME NO EXPANSIVO) Qadm > 15T/M2*TIPO DE ESTRUCTURA*ESTRUCTURACIÓN (CARGAS PUNTUALES)*ZONA SÍSMICA
ZAPATAS AISLADAS
*TERRENO (TRANSICIÓN) Qadm > 10t/m2*TIPO DE ESTRUCTURA*ESTRUCTURACIÓN (CARGAS LINEALES YPUNTUALES)*ZONA SÍSMICA
ZAPATA CORRIDA
*TERRENO (BLANDO) Qadm > 4 t/m2*TIPO DE ESTRUCTURA*ESTRUCTURACIÓN (CARGAS LINEALES YPUNTUALES)*ZONA SÍSMICA
LOSA DECIMENTACIÓN
ELECCIÓN DEL TIPO DE CIMENTACIÓN SUPERFICIAL
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CIMENTACIONES PROFUNDAS
Clasificación de pilas y pilotes según la formacomo transmiten las cargas al subsuelo.
1.- Carga vertical : Punta
Fricción
Anclaje por fricción.
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Pilote de punta Pilas de punta
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Pilote de fricciónEmpotramiento de pilas ypilotes.
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Pila o pilote con cargahorizontal
Pilote de anclaje
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CIMENTACIONES PROFUNDAS
2.- Material de fabricación:
1. Concreto Prefabricado .
Colado en el lugar.
2. Acero .
3. Concreto y acero (mixto).
4. Maderas
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1) Si el área de cimentación es menor al
30% de la superficie del área a cimentar,entonces diseñar zapatas aisladas.
2) Si el área de cimentación es mayor al
30% y menor al 50% del área a cimentar emplear zapatas corridas.
3) Si el área de la cimentación es mayor al
50% del área a cimentar, emplear losa decimentación.
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Tipo comportamiento
y estudio de los
suelos.
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ESQUEMAS DE LOS SUELOS
SÓLIDOS
AIREAGUA
Esquema de una sección de suelo no saturado
SÓLIDOS
AGUA
AGUA
AGUA
Esquema de una sección de suelo saturado
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Cimentaciones superficiales
Estados límites deservicio
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Tema: Análisis de deformaciones
1. Asentamientos1.1. Consolidación Primaria.
1.2. Consolidación Secundaria.1.3. Asentamientos elásticos e inmediatos.
2. Expansiones y contracciones.
3. Fenómenos de densificación y licuación dearenas.
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P
B
3B
H
Z=0
Z=B
Z=2B
Z=3B
A=BXL
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Placa de cimentación
Bulbos depresión
ΔH1
ΔH2
ΔH3
ΔH4
ΔH5
MV1
MV2
MV3
MV4
MV5
Δp
Bulbos depresión
Δp
Campanas de esfuerzos
Distribución de esfuerzo bajo un área cargada
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Cálculo de asentamientos causados por la cimentación
ΔH=Mv Δσ H
Mv=módulo de deformación volumétrica del suelo (m²/ton).Δσ= esfuerzo al interior del suelo por la cimentación (ton/m²).
H=espesor comprensible del estrato comprensible. (m)
Determinación del Mv
•Extraer muestras inalteradas del terreno de cimentación ala profundidad indicada y realizar la prueba deconsolidación, para determinar:
•Mv,Cv,K,e,etc.
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Asentamientos elásticos
inmediatos.
De donde:ΔHe=asentamiento en la esquina o centro de la cimentación.
q=carga uniformemente repartida en ton/m²B=ancho del cimiento en m.
D=espesor del estrato en m.Es=módulo de elasticidad del estrato del suelo en ton/m².ν= relación de Poisson del estrato de suelo.
F1 y F2 = factores de influencia en función de (D, L Y B) las dimensiones delcimiento y el espesor del estrato.
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TEORIA: ASENTAMIENTOS
Estado inicial de esfuerzos de l suelo
G3HUw
ua-uW)()(
U UaUa
U
1
2
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p
ea
v
V a
C C
S C
loge
e
(kg/cm )2
pH Mr H
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(kg/cm )2
Gráfica esfuerzo - deformación
Ec
dz Es
qh Lc
o
Edz H Lc
o
E E
1c El
. EL H
EL
4. L
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ESTRATO PERMIABLE
ESTRATO COMPRESIBLE
ESTRATO PERMIABLENAF
Figura 10.- DISTRIBUCION DE PRESIONES EN EL SUELO ANTES DE APLICAR LA SOBRECARGA DE LA CIMENTACIÓN
z Hi
sotZ z wHi
2/mT
2/mT
2/mT
Z
X
Y
z
y
x
z
y
x
z
y
x
,,
Estado de
Esfuerzos
Deformaciones
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•Estados límites de falla
Análisis de capacidad de carga:
Cimentaciones superficiales.
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•Cimentaciones superficiales
Suelos Cohesivos
S Q Fc / A < Cu Nc Fr + Pv
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•Suelos friccionantes
S Q Fc / A < [P’v (Nq – 1) + B N/2] + Fr+ Pv.
Donde:
S Q Fc: Suma de acciones verticales a tomar en consideración en la
combinación de cargas consideradas a nivel de desplante con su respectivo factorde carga.
A : área del cimiento.
P’v : Presión vertical efectiva a la profundidad de desplante (ton/m2).
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Cimentaciones superficiales.
: Peso volumétrico del suelo (ton/m3).
Cu: Cohesión del suelo (ton/m2).
B: Ancho del cimiento (m).
Nc , Nq y N: Factores de capacidad de carga.
De donde:
Nc= 5.14 (1+0.25 Df/B + 0.25 B/L) Df/B <2 y B/L<1
Nq= exp (p tan ) tan ( 45 /2 )
N 2 (Nq + 1 ) tan ).
Fr = Factor de resistencia
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Tema: Cimentaciones.
Consideraciones para el diseño geotécnico.
a) Selección de los parámetros Cu y u.
b) Para falla de tipo general:
Suelos cohesivos: de consistencia media a firme, los valoresde diseño será los obtenidos en el ensayo. En suelos friccionantes la compacidad relativa será mayor al
70%.
c) Falla de tipo local: En suelos cohesivos de consistencia media a blanda En suelos friccionantes con compacidad relativa menor al 60%
ó 70%.
En ambos casos los parámetros Cu y u, deberán afectarse por
un factor de reducción Fr= 0.67.
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Figura 1.1 Modelo de Khristianovich.
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Figura 1.2 Correspondencia de un cimiento con la
balanza de Khristianovich.
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a) Elasto-plástico perfecto.b) Elasto- plástico, con endurecimiento por deformación.c) Rígido- plástico perfecto.d) Rígido- plástico, con endurecimiento por deformación.
Figura 1.3 Comportamientos plásticos.
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Figura 1.4 Esfuerzos cortantes máximos bajo una banda delongitud finita, según la teoría de la Elasticidad
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Figura 1.4 Análisis de capacidad de carga considerandouna superficie de falla circular.
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Figura 1.5 Solución de Prandtl.
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Figura 1.6 Equivalencia del suelo sobre el nivel de un cimiento conuna sobre carga debida a su peso.
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Figura 1.7 Factores de capacidad de carga para aplicaciónde la teoría de Terzaghi.
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BN qN cN q qC U 2
1
Para cimentaciones corridas
Donde:
)(enestanycargadecapacidaddefactores,,
f N N N
Dq
suelodel especifico pesocohesiónc
qc
f
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Figura 1.8 Mecanismo de falla de un Cimiento Continuo pocoProfundo según Terzaghi.
Ecuaciones para determinar los
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)1(cot1
24cos2
cot*2
tan)2/4/3(2
qc N e
N p
p
2
45cos2
*2
tan)2/4/3(2
p e
Nq
tan1cos2
1*
2
p K
N
Ecuaciones para determinar losfactores de capacidad de carga.
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BN qN cN q qcu 4.03.1
Cimentación cuadrada:
BN qN cN q qcu 3.03.1
Cimentación circular:
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´
2
1´´
3
2 BN qN cN q qcu
´4.0´´867.0 BN qN cN q qcu
´3.0´´867.0 BN qN cN q qcu
(cimentación corrida)
(cimentación cuadrada)
(cimentación circular)
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Si el nivel freático se localiza de manera que 0<d1<df , el factor q en las
ecuaciones de la capacidad de carga toma la forma
aguadelespecífico pesoγ
suelodelsaturadoespecífico peso
)(efectivasobrecarga
w
21
sat
w sat
donde
D Dq
Además, el valor de en el último término de la ecuación
tiene que ser reemplazado por ’= sat- w
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f Dq
´)(´
B
d
Para un nivel freático localizado de manera que 0<d<B
El factor en el ultimo termino de las ecuaciones de laCapacidad de apoyo debe reemplazarse por el factor
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MODIFICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE CAPACIDADDE CARGA POR NIVEL DE AGUAS FREÁTICAS
SATURADO
ESPECIFÍCOPESO sat
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Tema: Cimentaciones
Fenómeno de densificación y licuación de arenas.
Características geotécnicas del estrato de suelo.
En suelos finos: baja consistencia relativa (Cr). En suelos gruesos: baja compacidad relativa (Dr). Pruebas de campo: SPT, en suelos finos o arenas, el número de
golpes N<15 golpes, cuando N< 5 golpes, el problema dedensificación o licuación es casi seguro.
Para densificación, se requiere que el predio o la construcción este
en una zona sísmica. Para que se presente el fenómeno de licuación, se requiere de la
presencia del N.A.F. , además de estar en zona sísmica.
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FS
u
adm
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1) El conocimiento de las característicasdel terreno de cimentación.(experiencialocal)
2) Definición de las condiciones de cargade la estructura.
3) Uso y destino de la estructura.( tipo Bo tipo A)
4) Capacidad técnica del ingenierogeotécnico.
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id sqiqd qsqcicd cscu F F F BN F F F qN F F F cN q
2
1
SUELODELESPECÍFICOPESO NCIMENTACIÓLADEFONDODEL NIVELALEFECTIVOESFUERZOq
COHESIÓNc
DONDE
B= ANCHO O DIAMETRO DE LA CIMENTACIÒN.
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cd sqcqd qsqcccd cscu F F F BN F F F qN F F F cN q 2
1
SUELODELLIDADCOMPRESIBIDEFACTORES,DONDE cqccc F y F F
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´tanqc
G I r
2/DE
DPROFUNDIDAA UNASOBRECARGADEEFECTIVAPRESIÓN´
SUELODELCORTANTEMÓDULOG
DONDE
B D
q
f
1.- CALCULE EL ÌNDICE DE RIGIDEZ, Ir, DEL SUELO A UNA PROFUNIDADAPROXIMADA B/2 POR DEBAJO DEL FONDO DE LA CIMENTACIÒN:
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245cot45.030.3exp2
1
)(
L
B I
cr r
COMOEXPRESASE,CRÍTICO,RIGIDEZDEÍNDICEEL2. )(cr r I
1B/LY0B/LPARADESVARIACIONELAS )( cr r
I
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ENTONCES,SI 3. )(cr r r I I
1 cqccc F F F
)(SI,EMBARGO,SINcr r r
I I
sen
I sen
L
B F F r
qcc
1
)2)(log07.3(tan6.04.4exp
:
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Teoría de Skempton
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qu=CNc + Df
El valor de Nc esta en función delespesor de estrato firme y el ancho delcimiento, como se observa en la figuraNo. 1.11
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Figura 1.10 Influencia de la profundidad de desplante en el valor de Nc,en suelos puramente cohesivos
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Figura 1.11 Valores de Nc según Skempton, para suelos puramente cohesivos.
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Tipos de falla por
capacidad de carga.
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Figura 1.12 Formas de falla por capacidad de carga.
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FIG. 1.13 Formas típicas de falla en arena.
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Figura. 1.14 Mecanismos de falla propuestos por Meyerhof.a) A poca profundidad.b) A gran profundidad.
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Ejemplos prácticos
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Ejercicio de asentamientos aplicando
la teoría de elasticidad.
Ejemplo : calcular el asentamiento de una
placa de cimentación circular de 20 m dediámetro con una carga P= 15 ton.Debajo de la placa se localiza un túnelque se desea conocer los asentamientosen condiciones drenadas ( dd)y nodrenadas(du)
EJERCICIO
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aE U P So
2)1(
2
aSo
U P E
2
)1( 2
5.0u
22 /286/28570035.015.02
)5.01(4cmkg mt x x Ed
z
3,0
222
/248/24750049.015.02
)3.01(4cmkg mt
x x
x Ed
•Placa circular regida en el espacio de Boussinesq, cálculo de asentamientos
1.1.Ensayo sin drenaje: En =?
1.2.Ensayo con drenaje: Ed=?
P
So=?
Dcim=20m.r=10m
Diametro
Datos
)(3.0
)(sin5.0
4
condrenajeUu
drenajeUu
kg P
D
Diámetro de la placa 30cm
Se cumple la relación:
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2/286248
3.01
5.01
1
1cmkg Ed
v
uv Eu
2/6.2213,120 mt x z
)cos(cos)cos1()cos1(
/26,2%10
3
2
2
3
2
3
1
3
2
qqqr
mt ov
p
q
1
2
z
z sat z z z qw
13.2151515
,5.2, m z Si
3
3
/13.21
5.0
/8.11
mt e
e s sot
e
mt e
sd
22 /26,2,/67.9 mt vmt qneta
Asentamiento en la base de la cimentación a 2,5m
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2857
)5.01(67.9)510(2)1()(2 22
21
Eu
UuqnetaaaSo
cmSo 5,2
cmSo 6,32426
)3.01(967)510(2 2
cmSo 6,3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
22
2
1)1(21()1(
)1(2
1)1(21)(1(
)1(2
nUu
nnn
Eu
Uuqa
z nUu
nnn
Eu
uaqSo
ma
ma
Uu
n
5
10
5,0
75,110
5.17
2
1
1
2/2857
50.35
5.17
mt Eu
n
CORTO PLAZO
Asentamiento al nivel de la parte superior del túnel (a 17.50m
Datos:
Corto plazo So=1.8cmLargo plazo So=2,2cm
LARGO PLAZO
p
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G3
Uw
ua-uWH
p
3 3
q
q
U
U Ua
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ESTRATO PERMEABLE
ESTRATO COMPRESIBLE
NAF
Figura 10.- DISTRIBUCION DE PRESIONES EN EL SUELO ANTES DE APLICAR LA SOBRECARGA DE LA CIMENTACIÓN
z
ESTRATO PERMEABLE
3.0 Análisis de capacidad de carga.
7/17/2019 Capacidad de Carga Clases
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3.0 Análisis de capacidad de carga.
Se aplicará la teoría de Terzaghi para suelos fricciónantes(arenas) y se revisará por el método propuesto por Zeevaert.
Para el análisis de capacidad de carga aplicando Terzaghi, seconsidera la propuesta de falla de tipo local y por lo tanto’= 2/3 y para el método de Zeevaert, se considera ladensidad relativa de la arena .
Posible falla por licuación de arenas
qc= DfNq+1/2 BN (Terzaghi)
qd= qc(Dr+0.1) (Zeevaert)
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Terzaghi
Parámetros geotécnicos seleccionados. Ñ=10 =1.7 t/m3
=28° ´= 2/3 (28°) = 18.7 Nq= 5.00 N=4.00
Df = 2.00 m F.S.=3
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qc= 22.15 t/m2
Qadm. = 7.00 t/m2
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Cálculo de la capacidad
aplicando Zeevaert.
qc= DfNq+1/2 BN (Terzaghi)
qd= qc(Dr+0.1) (Zeevaert)
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Parámetros geotécnicos
Ñ=10
=28°
Dr= 40% Nq=15
N=16
F.S.=3
= 1.7 t/m3
Df= 2.00 m
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qc= 64 t/m2
qd= 32 t/m2
Qadm. = 10 t/m2
Resultados
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UNEME SURID San Cristóbal de las casas
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Propuesta de cimentación: Zapata corrida
y losa de cimentación.
Se aplicará para el análisis de capacidadde carga, la teoría de Terzaghi parasuelos cohesivos y revisados por elmétodo del Dr. Leonardo Zeevaert (ref.4 y 9).
Se analiza para falla local
qc = CNc+ Df
qd = qc(Cr+0 1)
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Datos:
Cu= 0.5 kg/cm2 = 5t/m2
Cu’= 2/3 Cu= 3.35 t/m2
= 1.8 t/m3
Df = 0.6 a 1.00 de profundidad
F.S= 2.0 Nc= 5.7
Cr= 0 4
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qc= 21 t/m2
Qadm. = qc /F.S.Qadm. = 10 t/m2
Aplicando Terzaghi
A li d Z t
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Aplicando Zeevaert
qc= (5.7 x 5) + (1.8x1)= 30 t/m2
qd= qc(Cr+0.1) = 15.15 t/m2
Si F.S. = 2.0
Qadm.= qd/F.S.= 7.5 ton/m2
Qadm. = 7 t/m2
Ciudad rural sustentable “ uevo Juan del
7/17/2019 Capacidad de Carga Clases
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rijalva”
Propuesta de cimentación: Losa de Cimentación
Análisis de la capacidad de carga
Se realizaron 10 sondeos tipo pozo a cieloabierto (PCA), ubicados de acuerdo a lapropuesta de sembrado de viviendas,se
presenta el concentrado de las propiedades,índice, de resistencia y deformación del sueloexplorado.
Por las características estructurales de lasviviendas, la selección de los parámetros dediseño, para el análisis de capacidad de carga,son los siguientes:
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Los parámetros de diseño geotécnico
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p gson:
Pozo a cielo abierto No. 2 (PCA-2) = 10° Cu=0.4 kg/cm2= 4 ton/m2
w= 30% m= 1.7 gr/cm3 Para el análisis de capacidad de carga
se aplicará la expresión de Terzaghi,para el caso de cimentaciónessuperficiales:
qc = CNc+DfNq
Qadm = qc/F S
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Datos:
Cu=0.4 kg/cm2= 4 ton/m2
m= 1.7 gr/cm3
Nc= 5.7 Nq= 1.0
Df= 0.5-1.0 m.
qc = 27.35 ton/m2
Qadm.= 9 ton/m2
Tabla de correlación número de golpes contra consistencia relativa. (Arcillas) (Terzaghi and Peck)
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Número de golpes (N) Consistencia Relativa (Cr)
<2
2-4
4-8
8-15
15-30
>30
Muy blanda
Blanda
Media
Firme
Muy Firme
Dura
Numero de golpes (N) Compacidad Relativa (Cr)
0-4
4-10
10-30
30-50
>50
Muy suelta
Suelta
Media
Compacta
Muy compacta
Tabla de correlación número de golpes contra Compacidad relativa en arenas (Terzaghi and Peck)
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Consistencia relativa
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Ipw LLCr
n
(%)
minmax
(%)ee
eeCr nat máx
Compacidad relativa
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minmax
max
d d
dnat d Dr
Densidad relativa
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4.2 Arcillas
expansivas
La presencia de arcillasexpansivas en el valle de TuxtlaGutiérrez
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Limite liquido, en %
Indiceplastico,en%
Tijuana
Mexicali
Hermosillo
Cd. Obregón
Navojoa
Los Mochis
Culiacán
Cd. Juárez
Durango
Irapuato
LeónMatamoros
Nvo. Laredo
Querétaro
Reynosa
Salamanca
Celaya
Cuernavaca
CL-MLMLOL
OH
ML
MH
CH
ML
CH
L í n e a
B
Simbología
Tuxtla Gutiérrez,Chiapas.
ig. 4.7.- Ciudades de la República Mexicana con presencia de suelos expansivo
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Fig. 4.14 Clasificación del potencial de expansión en función dew0,wL.
(Ordónez R. J.,1990-2006)
0.80
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1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
20 40 60 80 100
LIMITE LIQUIDO (%)
PESO
VOL
UMETRICO
SECO
(ton/m)
Línea A
Suelos Colapsables
Suelos Estables
Línea B
Suelos
Expansivos
25
62 79
78
18
9
63
70
6869
14 65
93
3938
64
288
404811
9444
52366
84 36
72 16
20
83
81
1589 1034
37 35
95
6
1232
31 33
87
13
85 7
28
73
21 22
82
30
47
4
61
24
74
26
1
3
Fig. 4.15 Gráfica que clasifica el comportamiento del suelo en función del PVSy el límite líquido. (Ordónez R. J.,1996-2006)
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Determinación de la zona
activa en los estratos de
arcilla.
Determinación de zona activa (w/Ip)Perfiles de contenido de agua (w %)
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-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90
Pro
fundidad,
-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 32 3 4
Profundidad
,
Fig. 4. 17.- Determinación del contenido de humedad y zona activa delas arcillas expansivas de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas.
Tabla 4 7 Datos de referencia de los perfiles
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Tabla 4.7 Datos de referencia de los perfilesde humedad.
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Determinación de la
presión de
expansión del suelo
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Figura 4.18 b parámetros índice y de deformación de las curvas de compresibilidad de lafigura 4.18 a
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