Canteras parte ii
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1. El documento describe diferentes tipos de cimentaciones y problemas comunes en cimentaciones, incluyendo asentamientos, suelos inestables y problemas de excavación. 2. Explica conceptos como capacidad de carga, formas de falla, parámetros de suelos, y tipos de suelos como suelos expansivos, rellenos y kársticos. 3. También cubre temas de estabilización de suelos, licuefacción, y la importancia de considerar factores como agua, densidad y propiedades de los suelos para un diseño
Canteras parte ii
- 1. 1 ASIGNATURA : GEOTECNIA DE CIMENTACIONES Y CANTERAS DOCENTE : ING. VÍCTOR VIDAL GARATE GÓNGORA PRESENTADO POR : VÍCTOR RAÚL PEÑA CUELLAR FECHA: 30/06/15 GEOTECNIADE CIMENTACIONES Y CANTERAS - PARTE II Cimentación. Es una sub-estructura que está por debajo de la rasante, encargada de transmitir las cargas estructurales de una serie de elementos de forma económica, controlando en lo posible la deformación o asentamiento del suelo. Capacidad de Carga o Capacidad Portante. Es la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él, sin producir fallas o asentamientos. El ensayo uniaxial (no confinado) es solo para materiales finos y plásticos, nos da (c) como factor determinante en este tipo de materiales, la resistencia es solo referencial. El ensayo de corte directo (compresión) es más ventajoso que el ensayo triaxial, ambos nos da (c) y (ɸ). Se pueden evaluar suelos SM no tan cohesivos. En suelos finos (c) es el factor determinante y en suelos gruesos (ɸ) es el factor determinante. Forma de Falla en Cimentaciones: 1. Falla por Corte General. Es usualmente súbita y catastrófica, el colapso se presenta de un solo lado, la superficie de falla llega a la superficie del depósito. Ocurre en suelos de compacidad mayor (arenas densas y arcillas rígidas). 2. Falla por Corte Local. Representa una transición entre la falla por corte general y falla por punzonamiento, la superficie de falla puede llegar a la superficie del depósito. No genera inclinación de la cimentación ni falla catastrófica. Ocurre en suelos de compacidad intermedia (arenas medio densas). 3. Falla por Punzonamiento. Se caracteriza por un movimiento vertical de la cimentación mediante la compresión del suelo que se encuentra debajo de ella, la superficie de falla nunca llega a la superficie del depósito. Después de la falla, se sigue manteniendo el equilibrio vertical y horizontal de la cimentación. Ocurre en suelos de compacidad baja (arenas muy sueltas). Los parámetros para dar un grado de seguridad en cimentaciones son: (c), (ɸ), (𝛿) y grupo o tipo de suelo. La norma EMS-50 indica hacer calicatas, el cual no garantiza el grado de seguridad porque: - No hay correlación estratigráfica entre calicata y calicata. - No existe interpretación sedimentológica. - No se observa el nivel de cimentación. - No hay caracterización de suelos. El problema general en cimentaciones es el agua (genera proceso de tubificación). Se produce infiltración en suelos gruesos y capilaridad en suelos finos. En suelos ML, CL se generan asentamientos por saturación del suelo. El agua baja la densidad y consistencia, por consiguiente baja sus parámetros del suelo. Para suelos con agua se pone lechada de cemento para mejorar la calidad del suelo.
- 2. 2 Cuando cargamos una cimentación ( 𝜎) en ese momento se produce una deformación (𝒯: esfuerzo de corte tangencial) en el suelo, por consiguiente cambia la (e) y ocurre el asentamiento (suelos SM, SC). Para cimentaciones RMR (Bieniawski), taludes RMS (Romana) y túneles Q (Barton). TIPOS DE CIMENTACIONES 1. Cimentaciones Aisladas. Son elementos de soporte de las columnas, se llaman zapatas aisladas, no tienen excentricidad de cargas, solo trabajan a la presión vertical, son elementos que soportan la presión superior. 2. Cimentaciones Combinadas. Son elementos donde se tienen 2 zapatas continuas sobre el cual se colocan las columnas y sobre éstas las vigas. Ejm. un pórtico. Se usa cuando: - Existen dos losas casi juntas o continuas. - Las áreas de cimentación se traslapan al usar cimentaciones aisladas continuas. - Hay excentricidad de cargas con respecto al centroide del área de soporte en zapatas aisladas. - Hay asentamientos diferenciales en cimentaciones aisladas. - Se logren economías constructivas. 3. Cimentaciones Continuas. Son elementos estructuralmente lineales de zapata continua (la longitud es muchomayor que el ancho), se dicen continuas cuando tienen más de 3 elementos. Se usa para cargas lineales, como muros de carga o para columnas en línea con menores espaciamientos. Suelos con qa = 0.8-1.2 Kg/cm2 y concreto de f’c = 210-240 Kg/cm2 . 4. Cimentaciones con Vigas de Conexión. Son elementos muy pequeños, se trabaja con 2 elementos de arriostre para excentricidad de cargas. Se usa para aporticar en zonas de sismicidad. 5. Sobrecimentaciones. Son elementos rígidos, según norma es para todo tipo de cimentación. Tiene altura de 0.20 m y f’c = 175 Kg/cm2 , es perimetral, uniformiza la distribución de cargas, evita el asentamiento diferencial y juntas frías (juntas de dilatación). Se usa como: - Elemento estructural. - Elemento de sismicidad (viga de conexión). - Evita ascención capilar (es causada por el efecto de la tensión superficial). 6. Plateas de Cimentación. Son estructuras que ocupan todo el área de construcción, es de concreto armado (f’c = 210-240 Kg/cm2 ). Se realizan más del 50% en cimentaciones convencionales. Se usa para: - Suelos de mala calidad (qa < 1 Kg/cm2 ). - Reducir asentamientos. - N.F. próximo a la cimentación. - Construcciones ≥ 6 niveles. - Sótanos. En éstas, las zapatas son estructuras por compensación (se extrae el suelo y se sustituye por estructuras), se genera asentamiento primario y secundario. Las plateas de cimentación tienen sistema de placas (muro armado) para controlar el empuje pasivo (kp) y el empuje activo (ka). Dentro de las placas están armadas las zapatas continuas y lineales (no hay vigas). La parte lateral se rellena con material GW (Over sin finos) para el N.F. existente. Se usa losa uniforme para todo tipo de suelo, losa con refuerzos es contra deslizamientos y losa con pedestales es para disminuir las cargas. El N.F. debe estar de 1-1.5 m por debajo de la cimentación. ACI: prueba de concreto (f’c), prueba de muro (f’m). Las columnas se ubican según los momentos flectores que existen, las vigas están en función a las columnas.
- 3. 3 PROBLEMAS EN CIMENTACIONES 1. ASENTAMIENTOS. Es la variación volumétrica del suelo, proceso lento de meses a años, se conoce como un proceso asintótico (> velocidad al inicio y < velocidad con el tiempo hasta su estabilización). Problema del terreno por la variación del N.F. ST = Si + Sp + Ss + Sc o TT = Ti + Tp + Ts + Tc Dónde: ST = Asentamiento del suelo. Si = Asentamiento inmediato. Sp = Asentamiento primario (asentamiento por torsión). Ss = Asentamiento secundario (se debe determinar siempre). Sc = Asentamiento por consolidación (se debe proyectar). Para evaluar el asentamiento en suelos finos, se calcula las constantes de Atterberg y el ensayo edométrico (consolidación). Para evaluar el asentamiento en suelos gruesos, se calcula la compacidad relativa (Cr). El asentamiento depende de la naturaleza del terreno y presencia de agua. Se tiene que evitar el asentamiento por distorsión angular. (Si), ocurre mayormente en suelos gruesos y materiales rígidos (roca). (Sc), ocurre mayormente en suelos finos. A medida que disminuye la presión de poros (µ) se genera asentamiento por consolidación. TIPOS DE SUELOS: a) Suelos Inestables. Licuefacción de Suelos.Es la pérdida de la estructuradel suelo por incremento de la presión de poros (µ), generándose una pérdida de soporte intergranular por vibración. Es la pérdida instantánea de la capacidad admisible o resistencia del suelo. Cuando (u = ’v ) se tiene (u / ’v = 1), se desarrolla el fenómeno de licuefacción. Cuando (u = 0) se tiene (u / ’v = 0), no se desarrolla el fenómeno de licuefacción. Factores determinantes: - Distribución granulométrica. - p.e. y Dr. (ensayo triaxial cíclico o dinámico, ensayo de mesa de sismicidad). - Ambiente geológico (zonas de playa, fluvial y excepcionalmente en conos de arena). - Nivel freático (a 3 m de profundidad). - Sismicidad (> 5.5 Richter). EMS-30 (zona 3: costa = 0.40, zona 2: sierra = 0.30 y zona 1: selva = 0.15). - Profundidad (hasta los 15 m). Resistencia del suelo: Cuando (µ = 1), el suelo está sumergido, ya no hay presión de poros, entonces se desarrolla el fenómeno de licuefacción. (ɸ) está asociado a la granulometría (forma, tamaño, densidad), es una propiedad determinante de los suelos friccionantes (5% pasa Nº 200). La licuefacción se da en suelos friccionantes porque no existe cohesión (c), especialmente en suelos SP, A-3 (arenas mal gradadas) con baja compacidad relativa (Cr). Cr < 50, Dr = 1.66, > e = 𝑉𝑣 𝑉𝑠 , > n = 𝑉𝑣 𝑉𝑡 , > S = 𝑉 𝑤 𝑉𝑣 . El momento de libertad es un rango de aceleración máxima del suelo (amax), se determina para cimentaciones especiales (hidroeléctricas). 𝜎̅ = 𝜎n - µ𝒯 = c + 𝜎n tan ɸ 𝜎n = 𝜎̅ + µ
- 4. 4 b) Suelos Metaestables. Son suelos expansivos. - Origen. - Naturaleza de los suelos. - Capacidad de absorción. - Hidratación. - Identificación: - Mineralógica. - En campo. - A través de propiedades índice (LL, LP, LC). Nos da parámetros cuantitativos. Suelos Expansivos. Son suelos de naturaleza fina, incrementan su volumen en presencia de agua (propiedad osmótica (absorbe agua)), de 1.5-2% de humedad genera problemas en cimentaciones. Alcanzan su CHO de 15-19%, por debajo de éste, son suelos estables. Actividad de los Suelos (∆). Es el grado de deformación de los suelos, nos indica la calidad del suelo en función a las características de plasticidad (el contacto físico indica la resistencia del suelo fino). (∆) Grupo Tipo 0.1 – 0.5 (ML, CL, OL), (A-4) Caolín (más estable, baja deformación). 0.5 – 1.0 (ML-CL), (A-5, A-6) Illita (intermedia). > 7.0 (MH, CH, OH), (A-7-6) Montmorillonita (menos estable, alta deformación). Caolín, illita y montmorillonita, son arcillas laminares a base de Mg y Al, se conocen por su capacidad de absorción e hidratación (proceso de tenacidad de la arcilla). Suelos con (∆) < 0.5 son suelos estables. LL, es el comportamiento del suelo en condiciones fluidas. LP, es la capacidad del suelo sin alcanzar la deformación. LC, es el grado de asentamiento del suelo. Las constantes físicas de Atterberg nos dan valores de consistencia de los suelos (seco, saturado, sumergido). La evaluación solo se da en materiales que pasa Nº 40 (0.426 mm). Permeabilidad (K). Flujo lineal por unidad de tiempo. Ejm. suelos finos: K = 10-6 cm/s. PDL con N=15-18, es arcilla de alta plasticidad con elevado (LP, IP, IL). c) Suelos Rellenos o Redepositados. Son suelos con características principales de baja densidad y alta (e, n), con MDS < 65% (ensayo Proctor). d) Suelos Kársticos. Son suelos generados por disolución de rocas carbonatadas, son altamente inestables. ESTABILIZACIÓN DE SUELOS. Tiene un solo principio, hacer que las arcillas alcancen a ser insensibles. El principal factor de los suelos es la plasticidad, para bajar la plasticidad se reduce el límite líquido, mejorando así sus propiedades ingenieriles: - < Compresibilidad. - < Expansibilidad. - < Permeabilidad. - > Peso específico. - > Resistencia. Para estabilizar suelos friccionantes o suelos licuables, se aplica materiales (cal, cemento, asfalto) o aditivos (Rocamix, Permazyme, Sri). Se usa en pavimentos, terraflesh, etc. más no en cimentaciones. ∆ = 𝐼𝑃 % 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑁º 200 Nos da parámetros cualitativos. IP = LL - LP
- 5. 5 En Brasil, la cal es el más usado en la construcción de aeropuertos, uso en volumen del 6% (se amasa con rodillo pata de cabra). En arena y limo, uso en volumen del 3%. Las mejores canteras de arcilla son de Hematita, porque tiene mayor sílice y resistencia. Los aditivos son elementos líquidos y fáciles de dosificar en cisternas. Rocamix trabaja con cemento, Permazyme es el más usado (m2 = S/. 2-2.5) y es ecológico porque está a base de encimas vegetales (color café oscuro). 2. PROBLEMASDE EXCAVACIONES. Se tiene derrumbe de taludes y derrumbe por estructuras colindantes. La estabilidad de excavaciones está en función a las propiedades mecánicas del suelo (c, ɸ) y el N.F. Ejm. Cuando se excava, a cierta profundidad se observa humedad indicando la cercanía del N.F. La cohesión del suelo es básicamente la estabilidad natural, indica un suelo competente, se determina con el ensayo uniaxial (no confinado). Es uniaxial porque se coloca la muestra sobre una base para aplicarle fuerza encima, se debe realizar mínimo 3 ensayos. qu = Carga uniaxial. qa = Esfuerzo máximo de deformación. Para estabilizar excavaciones con estructuras colindantes se debe hacer calzaduras hasta alcanzar mi nivel de cimentación. Calzaduras. Son estructuras que van por debajo de la cimentación de la vivienda colindante. De acuerdo al tipo de suelo, pueden ser de concreto armado o concreto ciclópeo (f’c = 175 Kg/cm2 ). 3. PROBLEMAS DE ESTRUCTURAS. Se tiene por tipo de material, acero, ataque químico y sismicidad. qu = 𝑞 𝑎 2 = cohesión del suelo