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UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO
ESCUELA DE POSTGRADO
MAESTRIA EN CIENCIAS E INGENIERA
MENCIN INGENIERA ESTRUCTURAL
CURSO:
MECNICA DE SUELOS AVANZADA
TEMA:
REVISIN DEL ANLISIS DE CIMENTACIONES SPERFICIALES
DOCENTE:
MSC. ING. REYNALDO REYES ROQUE
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MSc. Ing. Reynaldo Reyes Roque Mecnica de Suelos Avanzado
2014-I
REVISIN DEL ANLISIS DE
CIMENTACIONES SPERFICIALES
Contenido:
1. Revisin y Comentario de la Norma Tcnica E.050
2. Teoras de Capacidad de Carga
3. Asentamientos en Cimentaciones Superficiales
4. Losas de Cimentacin
5. Dinmica de Suelos Efecto del Sismo
6. Diseo de Cimentaciones Superficiales por Estado Lmite
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2014-I
1. REVISIN Y COMENTARIO DE LA NORMA TECNICA DE
EDIFICACIONES E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES DEL RNE
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CAPTULO 3
ANLISIS DE LAS CONDICIONES DE CIMENTACIN
3.1 CARGAS A UTILIZAR
Para la elaboracin de las conclusiones del EMS, y en caso de
contar con la informacin de
las cargas de la edificacin, se debern considerar:
a) Para el clculo del factor de seguridad de cimentaciones: se
utilizarn como cargas
aplicadas a la cimentacin, las Cargas de Servicio que se
utilizan para el diseo estructural
de las columnas del nivel ms bajo de la edificacin.
b) Para el clculo del asentamiento de cimentaciones apoyadas
sobre suelos granulares: se
deber considerar la mxima carga vertical que acte (Carga Muerta
ms Carga Viva ms
Sismo) utilizada para el diseo de las columnas del nivel ms bajo
de la edificacin.
c) Para el clculo de asentamientos en suelos cohesivos: se
considerar la Carga Muerta ms
el 50% de la Carga Viva, sin considerar la reduccin que permite
la Norma Tcnica de
Edificacin E .020 Cargas.
d) Para el clculo de asentamientos, en el caso de edificaciones
con stanos en las cuales se
emple plateas o losas de cimentacin, se podr descontar de la
carga total de la estructura
(carga muerta ms sobrecarga ms el peso de losa de cimentacin) el
peso del suelo
excavado para la construccin de los stanos.
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3.2 ASENTAMIENTO TOLERABLE
B
L
A
L
Asentamiento diferencial
Asentamiento total de AAsentamiento total de B
Distorsin Angular =
En todo EMS se deber indicar el asentamientotolerable que se ha
considerado para laedificacin o estructura motivo del estudio.
El Asentamiento Diferencial no debe generaruna distorsin angular
mayor que la indicada enla Tabla.
En suelos granulares el asentamientodiferencial se puede estimar
como el 75% delasentamiento total.
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3.3 CAPACIDAD DE CARGA
La capacidad de carga es la presin ltima o de falla por corte
del suelo y se determina
utilizando las frmulas aceptadas por la mecnica de suelos.
En suelos cohesivos (arcilla, arcilla limosa y limo-arcillosa),
se emplear un ngulo de
friccin interna () igual a cero.
En suelos friccionantes (gravas, arenas y gravas-arenosas), se
emplear una cohesin (c)
igual a cero.
3.4 FACTOR DE SEGURIDAD FRENTE A UNA FALLA POR CORTE
Los factores de seguridad mnimos que debern tener las
cimentaciones son los siguientes:
a) Para cargas estticas: 3.0
b) Para solicitacin mxima de sismo o viento (la que sea ms
desfavorable): 2.5
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3.5 PRESIN ADMISIBLE
La determinacin de la Presin Admisible, se efectuar tomando en
cuenta los siguientes
factores:
a) Profundidad de cimentacin.
b) Dimensin de los elementos de la cimentacin.
c) Caractersticas fsico mecnicas de los suelos ubicados dentro
de la zona activa de la
cimentacin.
d) Ubicacin del Nivel Fretico, considerando su probable variacin
durante la vida til de
la estructura.
e) Probable modificacin de las caractersticas fsico mecnicas de
los suelos, como
consecuencia de los cambios en el contenido de humedad.
f) Asentamiento tolerable de la estructura.
La presin admisible ser la menor de la que se obtenga
mediante:
a) La aplicacin de las ecuaciones de capacidad de carga por
corte afectada por el factor de
seguridad correspondiente (Ver Seccin 3.4).
a) La presin que cause el asentamiento admisible.
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CAPACIDAD DE CARGA Y ASENTAMIENTO ADMISIBLES
La Capacidad de Carga Admisible (Presin Admisible) ser la menor
de las
siguientes dos condiciones:
qadm = qu / F.S. qu = capacidad de carga ltima
o
qadm = qasentamiento admisible
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PRIMER PISO
Df
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CAPTULO 4
CIMENTACIONES SUPERFICIALES
4.1 DEFINICIN
Son aquellas en las cuales la relacin Profundidad / ancho (Df
/B) es menor o igual a cinco (5),
siendo Df la profundidad de la cimentacin y B el ancho o dimetro
de la misma.
Cimentacin Superficial: Df / B < 5
Son cimentaciones superficiales las zapatas
aisladas, conectadas y combinadas; las
cimentaciones continuas (cimientos corridos) y
las plateas de cimentacin.
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4.2 PROFUNDIDAD DE CIMENTACIN
La profundidad de cimentacin de zapatas y cimientos corridos, es
la distancia desde el nivel
de la superficie del terreno a la base de la cimentacin, excepto
en el caso de edificaciones
con stano, en que la profundidad de cimentacin estar referida al
nivel del piso del stano.
En el caso de plateas o losas de cimentacin la profundidad ser
la distancia del fondo de la
losa a la superficie del terreno natural.
La profundidad de cimentacin quedar definida por el PR y estar
condicionada a cambios
de volumen por humedecimiento-secado, hielo-deshielo o
condiciones particulares de uso de
la estructura, no debiendo ser menor de 0.80 m en el caso de
zapatas y cimientos corridos.
PRIMER PISO
SOTANO
Df Df
Losa de Cimentacin
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Las plateas de cimentacin deben ser losas rgidas de concreto
armado, con acero en dos
direcciones y debern llevar una viga perimetral de concreto
armado cimentado a una
profundidad mnima 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 sern
determinados por el Profesional Responsable de las estructuras,
para garantizar la rigidez de
la cimentacin.
Si para una estructura se plantean varias profundidades de
cimentacin, deben determinarse
la carga admisible y el asentamiento diferencial para cada caso.
Deben evitarse la interaccin
entre las zonas de influencia de los cimientos adyacentes, de lo
contrario ser necesario
tenerla en cuenta en el dimensionamiento de los nuevos
cimientos.
Cuando una cimentacin quede por debajo de una cimentacin vecina
existente, el PR
deber analizar el requerimiento de calzar la cimentacin vecina
segn lo indicado en las
Secciones 6.5.6 y 6.5.7.
No debe cimentarse sobre turba, suelo orgnico, tierra vegetal,
relleno de desmonte o
rellenos sanitario o industrial, ni rellenos No Controlados.
Estos materiales inadecuados
debern ser removidos en su totalidad, antes de construir la
edificacin y ser reemplazados
con materiales que cumplan con lo indicado en la Seccin
4.4.1.
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4.3 PRESIN ADMISIBLE
Se determina segn lo indicado en el Captulo 3.
4.4 CIMENTACIN SOBRE RELLENOS
Los rellenos son depsitos 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
partculas no mayores de
7,5 (3), con 30% o menos de material retenido en la malla y sin
elementos distintos
de los suelos naturales.
b) Materiales no seleccionados: todo aqul que no cumpla con la
condicin anterior.
Por las condiciones bajo las que son colocados:
a) Controlados. (rellenos controlados o de ingeniera)
b) No controlados. (rellenos no controlados)
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4.5 CARGAS EXCNTRICAS
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4.6 CARGAS INCLINADAS
La carga inclinada modifica la configuracin de la superficie de
falla, por lo que la
ecuacin de capacidad de carga deber ser calculada tomando en
cuenta su efecto.
4.7 CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN TALUDES
En el caso de cimientos ubicados en terrenos prximos a taludes o
sobre taludes o
en terreno inclinado, la ecuacin de capacidad de carga debe ser
calculada teniendo
en cuenta la inclinacin de la superficie y la inclinacin de la
base de la
cimentacin, si la hubiera.
Adicionalmente debe verificarse la estabilidad del talud,
considerando la presencia
de la estructura.
El factor de seguridad mnimo del talud, en consideraciones
estticas debe ser 1.5
y en condiciones ssmicas 1.25.
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2. TEORIAS DE CAPACIDAD DE CARGA
INTRODUCCION
Para comportarse satisfactoriamente, las cimentaciones
superficiales deben tener dos
caractersticas principales:
1. La cimentacin debe ser segura contra una falla por corte
general del suelo que lo
soporta.
2. La cimentacin no debe experimentar un desplazamiento
excesivo, es decir, un
asentamiento excesivo. (El trmino excesivo es relativo, por que
el grado de
asentamiento permisible en una estructura depende de varias
consideraciones.)
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CONCEPTO GENERAL
Se considera una cimentacin corrida que descansa sobre la
superficie de arena densa o
suelo cohesivo firme, con un ancho igual a B.
B
Arena densa o suelo cohesivo firme
Suelo cohesivo firme
Ahora, si la carga se aplica gradualmente a la cimentacin, el
asentamiento se
incrementar. La variacin de la carga por unidad de rea, q, sobre
la cimentacin se
muestra en la siguiente figura junto con el asentamiento.
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En cierto punto, cuando la carga por unidad de rea es igual a qu
, tendr lugar una falla
repentina en el suelo que soporta a la cimentacin y la zona de
falla en el suelo se
extender hasta la superficie del terreno(Fig. a). Esta carga por
rea unitaria, qu , se
denomina generalmente capacidad de carga ltima de la cimentacin.
Cuando este tipo de
falla repentina tiene lugar en el suelo, se denomina falla
general por corte.
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Figura: Variacin de qu (1) / B y q u / B en placas
circulares
y rectangulares sobre supericie de una arenas (segn Vesic,
1963)
Vesic (1963) realiz pruebas de laboratorio de capacidad de carga
sobre placas circulares
y rectangulares soportadas por una arena con diversas
compacidades relativas de
compactacin Cr . Las variaciones de qu(1) / B y qu / B obtenidas
se muestran en la
siguiente figura:
B = Dimetro de la placa circular o
ancho de la placa rectangular.
= Peso especifico seco de la arena.
Para Cr 70%, ocurre en el suelo la falla
general por corte.
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Figura: Modos de falla en cimentaciones
sobre arena (segn Vesic, 1973)
Con base en resultados experimentales, Vesic (1973)`propuso una
relacin para el modo
de falla por capacidad de carga de cimentaciones que descansan
en arenas. La figura
muestra las relaciones obtenidas:
Cr = compacidad relativa de la arena
Df = profundidad de desplante de la cimentacin,
medida desde la superficie del terreno
B = 2 B L / (B + L)
Donde:
B = ancho de la cimentacin
L = longitud de la cimentacin
(Nota: L es siempre mayor que B)
Para cimentaciones cuadradas, B = L, para
cimentaciones circulares, B = L = dimetro,
por lo que B = B.
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2.1 TEORIA DE LA CAPACIDAD DE CARGA DE TERZAGHI
Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teora completa
para evaluar la capacidad
de carga ultima de cimentaciones superficiales.
Terzaghi sugiri que para una cimentacin corrida (es decir,
cuando la relacin entre
longitud de la cimentacin tiende a cero), la superficie de falla
en el suelo bajo carga
ltima puede suponerse similar a la mostrada en la siguiente
figura. (Note que ste es el
caso para falla general por corte).
El efecto del suelo arriba del fondo de la cimentacin puede
tambin suponerse
reemplazado por una sobrecarga equivalente efectiva q = Df 70%,
ocurre en el suelo
la falla general
UNA CIMENTACION ES SUPERFICIAL SI LA PROFUNDIDAD Df DE LA
CIMENTACION ES MENOR O IGUAL QUE EL ANCHO DE LA
MISMA.POSTERIORMENTE INVESTIGADORES SUGIEREN QUE CIMENTACIONES CON
Df IGUAL A 3 O 4
VECES EL ANCHO DE LA CIMENTACION PUEDEN SER DEFINIDAS COMO
CIMENTACIONES
SUPERFICIALES.
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JA C
D EF
GH
I
Df quq = .Df
45 - /2
45 - /2
45 - /2 45 - /2
B
CAPACIDAD DE CARGA EN SUELO
EN CIMENTACION CORRIDA SEGN TERZAGHI
LA ZONA DE FALLA BAJO LA CIMENTACION PUEDE SEPARARSE EN TRES
PARTES
1.- LA ZONA TRIANGULAR ACD INMEDIATAMENTE DEBAJO DE LA
CIMENTACION.
2.- LAS ZONAS DE CORTE RADIALES ADF y CDE, CON LAS CURVAS DE y
DF COMO ARCOS
DE UNA ESPIRAL LOGARITMICA.
3.- DOS ZONAS PASIVAS DE RANKINE TRIANGULARES AFH y CEG.
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qu = CAPACIDAD DE CARGA ULTIMAc = COHESION DEL SUELO = PESO
ESPECIFICO DEL SUELOq = .Df
Nc, Nq, N = Factores de Capacidad de Carga adimensionales que
estnnicamente en funcin del ngulo de friccin del suelo.
qu = c Nc + q Nq + B N (cimentacin corrida)
Donde:
Se supone que los ngulos CAD y ACD son iguales al ngulo de
friccin del suelo, .
Note que, con el reemplazo del suelo arriba del fondo de la
cimentacin por una
sobrecarga equivalente q, la resistencia de corte del suelo a lo
largo de las superficies de
falla GI y HJ fue despreciada.
Usando el anlisis de equilibrio, Terzaghi expres la capacidad de
carga ltima en la
forma de:
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Los factores de capacidad de carga, Nc, Nq y N ,
se definen mediante las expresiones:
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FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA DE TERZAGHI
(Segn KUMBHOJKAR, 1993)
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CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA EN CIMENTACION
CUADRADA O CIRCULAR SEGN TERZAGHI
qu = 1.3cNc + qNq + 0.4BN CIMENTACION CUADRADA
qu = 1.3cNc + qNq + 0.3BN CIMENTACION CIRCULAR
qu = cNc + qNq + 0.5 BN CIMENTACION CORRIDA
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BNIVEL DE AGUA
FREATICA
Df
d
D2
NIVEL DE AGUA
FREATICA
CASO I
CASO II
D1
2.2 EFECTO DEL NIVEL FREATICO SOBRE LA
CAPACIDAD DE CARGA
Las ecuaciones se desarrollaron para determinar la capacidad de
carga ultima con base en
la hiptesis de que el nivel fretico est localizado muy debajo de
la cimentacin. Sin
embargo, si el nivel fretico est cerca de la cimentacin ser
necesario modificar las
ecuaciones de capacidad de carga, dependiendo de la localizacin
del nivel fretico.
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Caso I
Si el nivel fretico se localiza de manera que 0 D1 Df
el factor q en las ecuaciones de capacidad toma la forma:
q = sobrecarga efectiva = D1 + D2 (sat w)
donde: sat = peso especfico saturado del suelo
w = peso especifico del agua
Adems, el valor de en el ltimo trmino de las ecuaciones tiene
que ser reemplazado
por = sat w
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Caso II
Para un nivel fretico localizado de manera que 0 d B
Tenemos:
q = Df
El factor en el ltimo trmino de las ecuaciones de la capacidad
debe reemplazarse por
el factor:
Caso III
Cuando el nivel fretico se localidad de manera que d B, el agua
no
afectar la capacidad de carga ltima.
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qneta(u) = CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA NETA
LA CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA NETA SE DEFINE COMO LA PRESION
ULTIMA POR UNIDAD DE AREA DE LA CIMENTACION QUE ES
SOPORTADA POR EL SUELO EN EXCESO DE LA PRESION CAUSADA POR
EL SUELO QUE LA RODEA EN EL NIVEL DE CIMENTACION
qneta(u) = qu - q
qadm = qu / FS
PARA EL CALCULO DE LA CAPACIDAD DE CARGA BRUTA ADMISIBLE DE
CIMENTACIONES SUPERFICIALES SE REQUIERE APLICAR UN FACTOR DE
SEGURIDAD (FS) A LA CAPACIDAD DE CARGA ULTIMA BRUTA
q = .Df qadmisible (neta) = qu qFS
2.3 FACTORES DE SEGURIDAD EN EL DISEO
DE CIMENTACIONES
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2.4 ECUACION GENERAL DE LA
CAPACIDAD DE CARGA
Las ecuaciones de Terzaghi anteriormente planteadas son
nicamente para cimentaciones
continuas, cuadradas y circulares. Estas no se aplican al caso
de cimentaciones
rectangulares (0 < B/L < 1 ). Adems, las ecuaciones no
toman en cuenta la resistencia
cortante a lo largo de la superficie de falla en el suelo arriba
del fondo de la cimentacin
(porcin de la superficie de falla marcada como GI y HJ). Tambin,
la carga sobre la
cimentacin puede que este inclinada. Para tomar en cuenta todos
los factores, Meyerhof
(1963) sugiri la siguiente ecuacin general de capacidad de
carga:
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Factores de capacidad de Carga Ec. de Meyerhof
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Factores de forma, profundidad e inclinacin, recomendados para
su uso
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2.5 EFECTO DE LA COMPRESIBILIDAD
DEL SUELO
Para tomar en cuenta el efecto de la compresibilidad del suelo,
Vesic (1973)
propuso las siguiente modificacin:
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CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE
qmax
Para e > B/6
Para e < B/6
qmax
qmin
B
Q
M
B
e
qmax Q
BL
6M
BL= +
qmin Q
BL
6M
BL= -
e = MQ
e
B2e
L
CARGA VERTICAL
TOTALMOMENTO SOBRE
CIMENTACION
B X L
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CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE
qmax
Para e > B/6
Para e < B/6
qmax
qmin
qmaxQ
BL
6M
BL= + qmin
Q
BL
6M
BL= - e = M
Q
qmaxQ
BL
1 + 6e
B= ( ) qmin QBL
1 - 6e
B= ( )
EN ESTAS ECUACIONES CUANDO LA
EXCENTRICIDAD e TOMA VALOR DE
B/6, EL qmin ES CERO.
PERO PARA e > B/6, qmin SERA
NEGATIVA LO QUE SIGNIFICA QUE SE
DESARROLLARA UNA TENSION.
COMO EL SUELO NO PUEDE TOMAR
TENSIONES, HABRA UNA
SEPARACION ENTRE LA CIMENTACION
Y EL SUELO DEBAJO DE ELLLA.qmaX
4 Q
3L(B 2e)=
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CIMENTACIONES CARGADAS EXCENTRICAMENTE
B
e
BANCHO
EFECTIVOB 2e= =
LA EXCENTRICIDAD TIENDE A
DISMINUIR LA CAPACIDAD DE CARGA
DE SOPORTE SOBRE UNA
CIMENTACION Y EN TALES CASOS ES
MEJOR SITUAR LAS COLUMNAS
FUERA DEL CENTRO.
Qult = qu(B)(L)
e
B2e
L
B
Q
M
B X L
LLARGO
EFECTIVOL= =
Qult
Q=FS
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CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS ESTRATIFICADOS
CUANDO PROFUNDIDAD DE H ES RELATIVAMENTE MAS PEQUEA COMPARADO
CON EL ANCHO B DE LA CIMENTACION, OCURRIRA UNA FALLA POR CORTANTE
DE PUNZONAMIENTO EN LA CAPA SUPERIOR DE SUELO SEGUIDA POR UNA FALLA
POR CORTANTE GENERAL EN EL ESTRATO INFERIOR.
SUELO MAS FUERTE
SUELO MAS DEBIL
C2
a b
1
H
Df
qu
B
CaCa
ba
1
C1
PpPp
2
2Fig. 3.20 (a)
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CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS ESTRATIFICADOS
SUELO MAS FUERTE
1H
Df
qu
B
ba
1
C1
SUELO MAS DEBIL
2
2
C2CUANDO PROFUNDIDAD DE H ES RELATIVAMENTE MAS GRANDE COMPARADO
CON EL ANCHO B DE LA CIMENTACION. ENTONCES LA SUPERFICIE DE FALLA
ESTARA COMPLETAMENTE LOCALIZADA EN EL ESTRATO SUPERIOR DEL
SUELO.
Fig. 3.20 (b)
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CAPACIDAD DE CARGA EN SUELOS ESTRATIFICADOS
SUELO MAS FUERTE
SUELO MAS DEBIL
C2
a b
1
H
Df
qu
B
CaCa
ba
1
C1
PpPp
2
2qb=qu 2(Ca + Pp sen )
B+ - 1H
B = Ancho de la cimentacion
Ca = Fuerza adhesiva
Pp = Fuerza pasiva por unidad de longitud de las caras aa y
bb
qb = Capacidad de carga del estrato inferior del suelo
= Inclinacion de la fuerza pasiva Pp respecto a la
horizontal
Fig. 3.20 (a)
Ec. de Meyerhof y Hanna (1978)
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CAPACIDAD DE CARGA DE CIMENTACIONES SOBRE
UN TALUD
b
Df
B
c
H
qu
qu = cNcq + 0.5 BNq Cimentacion corrida Meyerhof
qu = 0.5 BNq
qu = cNcq
Suelo puramente granular c = 0
Suelo puramente cohesivo = 0
Fig. 3.23
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