cimentaciones en suelos expansivos

7/28/2019 Cimentaciones en Suelos Expansivos

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS

DISEO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS

EXPANSIVOS

POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO 12-09-12

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1.00 Generalidades

El problema de los denominados suelos expansivos alcanza dcadas atrs, siendo

reconocido al final de la dcada del 30.

La presencia en el Per de "Suelos Expansivos" es evidente en la zona Norte y Sur.

De aqu que se trata de dar un alcance y establecer el panorama real de la

presencia de arcillas expansivas en un proyecto de cimentacin, para luego tomar

precauciones en el diseo estructural de las cimentaciones apoyadas en este tipo de

suelo.

2.00 Reconocimiento de los suelos expansivos

Un suelo expansivo, implica no solamente la tendencia a aumentar de volumen

cuando aumenta el contenido de agua, sino tambin la disminucin de volumen o

contraccin si el agua se va perdiendo.

Una manera de poder observar si un suelo tiene potencial de hinchamiento o si

presenta expansividad es mediante las siguientes metodologas:

Anlisis Mineralgico : es determinar las propiedades bsicas de las arcillas,

mediante tcnicas adecuadas de laboratorio, los minerales que conforman la arcilla

se pueden evaluar cuantitativamente.

Mtodo de los ndices: Los ensayos de propiedades ndices del suelo pueden ser

usados para la evaluacin del potencial de hinchamiento de los suelos expansivos.

Estos ensayos son fciles de realizar y deberan ser incluidos en los ensayos

rutinarios en la investigacin para un estudio de mecnica de suelos en aquellas

reas donde existen antecedentes de presencia de suelos expansivos. Podran

incluir los siguientes ensayos estndar.

Lmite lquido ........ (LL).

Lmite plstico........ (LP).

Lmite de contraccin... (LC).


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EXPANSIVOS


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Holtz y Gibbs (1956) demostraron que el ndice plstico y el lmite lquido son ndicestiles para determinar las caractersticas de expansin de las arcillas Cuadro N2

Seed, Woodwuard y Lundgren, considerando que el potencial de hinchamiento est

definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente,

la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul2 despus de ser

compactada a la mxima densidad seca y al ptimo contenido de humedad,

siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. Estos autores

establecieron la siguiente relacin:

Donde :

S = potencial de hinchamiento

IP = ndice plstico

K=3.6 x 10-5

(constante)

Una relacin entre el potencial de hinchamiento de las arcillas y el ndice de

plasticidad es como la que se presenta en cuadro1

CUADRO N1

Indice de plasticidad:% Potencial de hinchamiento

0 15 Bajo

10 35 Medio

20 55 Alto


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EXPANSIVOS


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El grado de peligrosidad que ofrecen las arcillas ha sido correlacionada por Holtz yGibbs en 1954 por medio de su lmite de contraccin segn cuadro2, que durante un

tiempo fue muy usada.

CUADRO N2

Lmite de contraccin Peligro de Hinchamiento

12 No crtico

Ranganathan y Stayanarayana en 1965, dan una tabla para reconocer la

potencialidad de la expansin, dando un nuevo ndice de contraccin; en donde este

ndice de contraccin es obtenido como la variacin del contenido de humedad

correspondiente al lmite lquido y al lmite de contraccin segn la siguiente

expresin.

IC = LL - LC

Donde:

IC = Indice de contraccin.

LL = Lmite lquido.

LC = Lmite de contraccin.

Con la expresin anterior tenemos la siguiente correlacin cuadro 3


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EXPANSIVOS


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CUADRO N3

Indice de contraccin (%) Potencial de hinchamiento

0 20 Bajo

20 30 Medio

30 60 Alto

>60 Muy alto

G.F. Sowers en 1961, propuso una correlacin basndose en las propiedades

ndices de los suelos susceptibles a cambios de volumen Cuadro 4

CUADRO N4

Probabilidad de cambios de

volumen al producirse

cambios de humedad

ndice plstico

Lmite de

con traccinRegiones

ridas

Regiones

hmedas

Pequea 0 15 0 -30 >12

Pequea y moderada 15 30 30 - 50 10 - 12

Moderada a severa >30 >50


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3.00 ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

Los mtodos ms satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de

hinchamiento y presin de hinchamiento de arcillas expansivas, es por medio de las

mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o

Laboratorio.

ENSAYODEEXPANSIONLIBRE

El ensayo de expansin libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado

natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua, la cual se

anota el hinchamiento vertical en funcin del tiempo sin la aplicacin de ninguna

carga.

Holtz en 1956 present el ensayo como una prueba muy sencilla para reconocer una

arcilla expansiva.

Lo que se busca en el ensayo de expansin es el porcentaje de hinchamiento libre,

que es la diferencia en el volumen final e inicial, expresado como porcentaje del

volumen inicial as:

100*V

V-V=h%

i

if

L

Donde:

libretohinchamien=hL , inicialVolumen=V i , finalvolumen=V f

Se presenta a continuacin los resultados de un ensayo como se muestra a

continuacin

POZO : C-2

MUESTRA : MI-1

PROF. (m) : 1.90-2.10


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CARACTERISTICASDELESPECIMENDimetro del anillo(cm) 6.350

Altura de la muestra inicial (cm) 2.540

Altura de la muestra final (cm) 2.780

Cont. de humedad inicial(%) 8.280

Cont. de humedad final (%) 21.37

Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 1.789

Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.508

Densidad hmeda final (gr/cm3) 1.830

Densidad seca final (gr/cm3) 1.652

CUADRON6:CUADRODERESULTADOS

Tiempo Expansin Expansin

0.00 0.000 0.00

0.25 0.009 0.04

0.50 0.035 0.14

1.00 0.055 0.22

2.00 0.059 0.23

5.00 0.065 0.26

10.00 0.085 0.33

15.00 0.089 0.35

30.00 0.091 0.36

60.00 0.092 0.36

360.00 0.093 0.37

1440.00 0.094 0.37

2880.00 0.176 0.69

4320.00 0.300 1.18

8640.00 1.200 4.72

9960.00 1.600 6.30

15000.00 2.400 9.45

19800.00 2.400 9.45


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EXPANSIVOS


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ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA.

Se realiza este ensayo preparando el espcimen de un suelo inalterado, colocando

dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un

consolidmetro, con la ayuda del marco de carga y el dal de deformacin, se

procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente

la muestra.

La presin de expansin que se obtenga al final es la medida de la fuerza mxima

por unidad de rea que pueda producir el suelo en condiciones de expansin

extrema es la presin de expansin bajo carga controlada a continuacin se presenta

un ensayo.

ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA

ENSAYO 1

POZO : P-3

MUESTRA : MI-1

PROF. (m) : 1.90-2.10

CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN

Dimetro del anillo(cm) 6.350

Altura de la muestra inicial (cm) 2.540

Altura de la muestra final (cm) 2.628

Cont. de humedad inicial(%) 10.00

Cont. de humedad final (%) 35.60

Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 2.002

Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.820

Densidad hmeda final (gr/cm3) 2.385

Densidad seca final (gr/cm3) 1.759


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DISEO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS

EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 9

CUADRO N7 : CUADRO DE RESULTADOS

FECHA TIEMPO(min)

EXPANSION(mm)

CARGA DECONTROL (lb)

PRESION DE CONTROL(kg/cm2)

03-12-91 18.00-hrs 8.000 10.00 0.14

5 7.906

10 7.824

30 7.644

60 7.296

120 7.208

04-12-91 18.00-hrs 6.875 25.00 0.36

5 6.862

10 6.824

30 6.642

60 6.414

120 6.168

05-12-91 18.00-hrs 5.649 50.00 0.72

5 5.630

10 5.618

30 5.586

60 5.506

120 5.406

06-12-91 18.00-hrs 5.223 60.00 0.86

5 5.221

10 5.215

30 5.208

60 5.016

07-12-91 18.00-hrs 4.999 75.00 1.08

5 4.992

10 5.364

30 5.684

60 7.122


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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 10

4.00 CRITERIOS PARA LA DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD PORTANTE

En la figura adjunta: La cimentacin se encuentra apoyada en un suelo con caractersticas

expansivas donde:

df : Nivel De desplante de la cimentacin,

Pc : Presin de contacto

Pexp . Presin de expansin

P : Carga que transmite la superestructura a la cimentacin

B : Ancho del cimiento

qadm : Capacidad portante admisible del suelo

Criterios:

Pc qadm

Pc Pexp

Pc = P / B*L


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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI11

EJEMPLO

Util izando la info rmacin y cuad ro 1 y 2, disear la cim entacin m ediante

zapatas, para cimentar un colegio de tres niveles, sistema aport icado de luz

de 8m , con las s igu ientes caractersticas :

Espesor de loza : 0.20m

Tabiquera : 0.15m.

Vigas : 0.30 x 0.65m.

Columnas : 0.30 x 0.30m.

Cohesin : 0.335 kg/cm2

ngulo de friccin : 10

Fuerza expansiva : 0.93 kg/cm2

Df (Desplante) : 1.5m.

fc : 210kg/cm2

1. Predimension amiento d e la estructu ra.

Se tiene un edificio de 3 pisos con las siguientes caractersticas:

1 piso = 3.5 m.

2 - 3 piso altura tpica = 2.6 m.

Columnas de concreto armado (4) = 0.3 x 0.3m

Vigas peraltadas (0.25 x 0.65m) y Vigas soleras (0.25 x 0.20m) de concreto

armado

Muros de albailera (KK 18 huecos) de soga.

Losa aligerada (espesor 0.2m)

Datos adicionales:

Concreto Armado

Resistencia a la compresin (fc) =210kg/cm2

Peso especfico = 2.4 Tn/m3

Losa Aligerada

Ladrillo = 30x30x15 cm. Losa de concreto(e) = 0.05m.


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Peso aligerado = 0.30 tn/m2

Muro de albailera

Peso especfico = 1.9 Tn/m3

Las columnas se han distribuido de la siguiente manera:

1 2

2.6m

8m 2.6m

5m

3.5m

4 3 1,4 2,3

Planta Colegio Elevacin Colegio

Las cargas de servicio se han aplicado segn el R.N.C (E-0.20), teniendo en cuenta:

Cargas muertas (D): Materiales (Concreto, Albailera) y Acabados (0.1Tn/m2)

Cargas Vivas (L): Piso Tpico ( 0.2Tn/m2) y Azotea (0.1Tn/m2)

Combinacin : 1 D + 1 L

Mediante la ayuda de un programa de anlisis estructural (ETABS Nolinear v.8.2.7) se

obtuvieron las reacciones en los apoyos en cada columna como se muestra en el siguientecuadro:

Columna Reaccin (Tn)

1 89.35

2 89.35

3 89.354 89.35


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2. Cimentacin de la estructu ra

Reconocimiento del suelo de fundacin.

Carga P

0.00m N.T

Pozo C-1, Muestra M-1

= 1.7 Tn/m3

0.40m Desplante

(Df)

Pc Pozo C-1, Muestra M-2 = 2.13 Tn/m3

Ancho de la cimentacin (B)4.00m

Pozo C-1, Muestra M-3

(Pexp) = 2.13 Tn/m3

5.00m

Criterios1:

1. Pc qadm

2.Pc PexpDf : Nivel De desplante de la cimentacin,

Pc : Presin de contacto

Pexp . Presin de expansin

P : Carga que transmite la super estructura a la cimentacin

B : Ancho del cimiento

qadm : Capacidad portante admisible del suelo


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Anlisis por falla general (Teora de Terzaghi), para cimiento cuadrado

NBNqNCq

qcU 4.03.1

qU = carga ltima (Tn/m2)C = cohesin del suelo

Nc, Nq y N= factores de capacidad de carga adimensional, estn en funcin de

= Peso especfico del suelo

q = x Df

B = Ancho de la cimentacin

Teniendo = 10, obtenemos : Nc = 9.61 Nq = 2.69 N= 0.56

C = 0.335 kg/cm2 = 3.35Tn/m2

1 = 1.7 Tn/m3 obtenemos: q1 = 1 x Df1 = 1.7 Tn/m

3 x 0.4 m. = 0.68 Tn/m2

2 = 2.13 Tn/m3 obtenemos: q2 = 2 x Df2 = 2.13 Tn/m

3 x 0.9 m. = 1.917 Tn/m2

q = q1 +q2 = 0.68 + 1.917 = 2.597 Tn/m2

56.013.24.069.2597.261.935.33.1 BqU

qU = 48.837 + 0.477 B

Sabiendo que la capacidad de carga admisible = qU /F.S, (factor de seguridad = 2.5-

3), y tomando F.S = 3, tenemos:

qadm = 16.279 + 0.159 B.....................................................................(1)

y sabemos que :

Pc = P/B2 = 89.35/ B2 y qadm > Pc...............................................(2)

de (1) y (2) tenemos

0.159 B3 +16.279 B289.35 =0

B = 2.32 m.

Entonces:Pc = P/B2 = 89.35/ 2.322 = 16.6 Tn/m2


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qadm = 16.279 + 0.159 B = 16.6 Tn/m2

Se cumple 1era condicin Pc qadm

Anlisis por Fuerza Expansiva:

Pc Pexp

Presin de Contacto = Pc = P/B2 = 89.35/2.322 = 16.6 Tn/m2

Presin Expansiva = Pexp = 0.93kg/cm2 = 9.3 Tn/m2

Se cumple 2da condicin Pc Pexp

3 Diseo es tru ctu ral d e la cim entac in

B = 2.32

0.3+d

0.3

1. Condicin Diseo: VU /= VC

Vu / = (1/ ) x (Pu-Wu(0.3+d)(0.3+d) = (1/) x 189.53

16.6(0.3+d)2(1)

Vc = dbcf 0

06.1 = 1.06 x 210 x 4(0.3+d) x d = 61.443 x10x(0.3d+d2)

(2)

(1)= (2) 189.53 16.6(0.3+d)2 = 0.85x (61.443 x10x(0.3d+d2))

d = 0.455m.

Usar:

h = 0.6m, dprom = 0.6-(R+3/4) = 0.6-(7.5+1.91) = 0.51m > d

2. Diseo por flexin

2

2LvSWuMu = 16.6 x 2.32 x 2.02 / 2 = 38.89 Tn-m


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)2

(a

dfy

MuAs

=

2

63.35142009.0

1089.385

= 20.648 cm2

As min = 0.0018 x 232 x 50.1 = 20.92cm2

En sentido longitudinal

n = As / As1/2 = 20.648 / 1.27 = 16.25 17

s =1

22/1

n

RB = (2.32-2x0.075-0.0127) / (17-1) = 0.13m

Usar : 17 1/2 @0.13m.

En sentido Transversal

Ast = As x B/L = As = 20.648 cm2

n = 17 s = 0.13 m

Usar : 17 1/2 @0.13m.

1.30m

H =0.6m

17 1/2 @0.13m.

B = 2.40m.


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