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IV CONGRESO INTERNACIONAL DE CONSTRUCCION

GEOTECNIA APLICADA AL DISEÑO Y CONSTRUCCION DE CIMENTACIONES

Ing. William Rodríguez Serquén (*)

1. OBJETIVO.-

El objetivo es dar una visión geotécnica, de los factores a tener en cuenta, en el diseño yconstrucción de las cimentaciones. Se destacan los aportes de los mapas geotécnicos, los mapas depeligros, los estudios de suelos, los ensayos de campo y laboratorio. Las consideraciones delproceso constructivo y el daño producido por las excavaciones.

2. EL MAPA GEOTECNICO.-

El diseño estructural y de cimentaciones debe considerar el Mapa geotécnico, porque allí se defineel comportamiento del suelo, que va a estar en contacto con la estructura a construir. Van a afectarel diseño de cimentaciones: el tipo de suelo (cohesivo, granular, granular con finos, de alta o bajaplasticidad), la variación de estratos, la consistencia (media, blanda, dura), las propiedades físicas ymecánicas (cohesión, ángulo de fricción interna, índice de compresión), la ubicación del nivelfreático, la profundidad de cimentación, la capacidad portante por resistencia, la capacidad portantepor asentamiento, el esfuerzo neto, los asentamientos diferenciales y totales, los agentes agresivos yataque químico de suelos y aguas subterráneas (sales, cloruros, sulfatos), la expansibilidad y fuerzaexpansiva del suelo, la estabilidad del talud de la excavación, las especificaciones del Reglamentonacional de edificaciones, etc. Sólo si conocemos esto procedemos a diseñar la cimentación, en casocontrario el diseñador se convierte en un peligro público. “No hay gloria en las cimentaciones”,dijo el Dr. Terzaghi, pero si repudio para el ingeniero si falla una edificación.

(*) Docente principal y Jefe del Laboratorio de suelos de la FIC, de la UNPRG. de Lambayeque.

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3. EL MAPA DE PELIGROS.-

Se debe considerar el Mapa de Peligros, de la zona donde se va a construir una edificación. Este seconfecciona después de zonificar las áreas de peligros geológicos, climáticos, y geológico-climáticos. Delimita las áreas de Peligro Muy alto (color rojo), Alto (color anaranjado), Medio(color amarillo) o Bajo (color verde). Nos indica las áreas que son adecuadas y las que no, paraconstruir. Indica cuales son las áreas apropiadas para expansión urbana y equipamiento, y cuálesson las áreas donde se requieren estudios y especificaciones especiales, o donde no se debeconstruir. Identifica las zonas críticas de una ciudad, donde se requieren obras de mitigación.Fomenta el crecimiento de la ciudad de manera ordenada, evitando que se hagan construccionescostosas, que pongan en riesgo la vida de las personas.Las Naciones Unidas han clasificado en cuatro grupos, los fenómenos naturales que pueden causardesastres, y que son representados en un Mapa de peligros naturales:A. Generados por procesos dinámicos en el interior de la tierra (Geodinámica interna).-Terremotos, Maremotos o tsunamis, actividad volcánicaB. Generados por procesos dinámicos en la superficie terrestre (Geodinámica externa).-Deslizamientos, derrumbes, aludes, aluviones, deglaciación.C. Generados por fenómenos metereológicos, oceanográficos.-Cambios climáticos (como el fenómeno de El Niño), cambios climáticos (sin El Niño),Inundaciones, sequías, temporales, granizo.D. De origen biológico.-Plagas (langostas), epidemias.

Los desastres más frecuentes en nuestro país son:Inundaciones, Aluviones menores (Huaycos o llocllas), deslizamientos, heladas, sequías, temporalesy terremotos.

Fig. (1). Mapa geotécnico de la ciudad de Mórrope en el departamento de Lambayeque.

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Fig. (2). Mapa de peligro climático de la ciudad de Mórrope, en el departamento de Lambayeque.

Fig. (3).Vista aérea de inundación en la zona este de la ciudad de Mórrope, durante el fenómeno deEl Niño.

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Fig. (4).Mapa de Peligros de la ciudad de Mórrope, en el departamento de Lambayeque.

Fig. (5).Inundación en conjunto habitacional de Mocce, en la ciudad de Lambayeque – Perú.

4. EL ESTUDIO DE SUELOS.-

Proporciona un diagnóstico detallado de las condiciones del lugar de la construcción. Desde elpunto de vista geotécnico, nos proporciona los parámetros de diseño, y las recomendaciones aconsiderar para evitar los peligros del suelo. Se espera que éste sea completo y prevea todos losposibles accidentes o fallas del futuro, y ofrezca todas las soluciones a los problemas de ingeniería.Esto es difícil. Sin embargo cuando estas ocurren, se juzga con sumo rigor al que realiza el estudiode suelos, porque el profesional que hace un informe técnico trata de prever los problemas, en basea pruebas puntuales del lugar, con las cuales induce el comportamiento de toda el área de estudio. Siusted esta haciendo un estudio de suelos, y sabe de algo peligroso, que puede pasar en la obra, tieneque decirlo, así no corresponda al estudio de suelos que está haciendo. Se le juzgará con rigor,porque el ingeniero tiene otro nivel de conocimientos.

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5. LOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO.-

5.1 EL ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR (SPT, Standar penetration test).-

Es ejecutado “in situ”, se requiere para este ensayo, de trípode, motor, polea, martillo, cuerda, cañasguía y partida.Consiste en determinar el número de golpes (N), que se requieren para que una barra vertical(llamada caña), penetre una longitud de un pie (30 cm), dentro del suelo, por medio de un golpe demartillo de 140 libras de peso, levantado y soltado desde una altura de 76 cm.Con el valor de N se puede determinar, la resistencia a compresión, el módulo de elasticidad, elcoeficiente de balasto, el coeficiente de variación volumétrica y la capacidad portante Hay quehacerle algunas correcciones, que hacen variar ligeramente el valor de N. Al valor nuevo se lellama N corregido.La capacidad neta admisible del suelo, se obtiene a partir del número de golpes N.

Fig. (6). Equipo de penetración estándar (SPT).

Fig. (7). Detalles del equipo de penetración estándar. El martillo golpea a la caña, a través de untope, para que penetre 30 cm.

5.2 EL ENSAYO DE CORTE DIRECTO.-Es un ensayo de cortante. Nos determina el ángulo de fricción interna y la cohesión del suelo. Estosparámetros son importantes, para determinar la capacidad portante del suelo, sobre el que se va aconstruir. Consiste en aplicar esfuerzos verticales y horizontales, a tres muestras de suelo, ydeterminar el instante de falla a cortante. Cuando se aplica un esfuerzo vertical fijo de 0.5 kg/cm2,

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la primera muestra falla con un esfuerzo horizontal o cortante t1, la segunda muestra es sometida aun esfuerzo de 1.0 kg/cm2, y falla con un esfuerzo cortante t2. La tercera es sometida a unesfuerzo de compresión de 1.5 kg/cm2, y falla con un cortante 3. Con estos tres pares ordenadosse grafica el diagrama de ruptura de Mohr. También, se hace uso del análisis de regresión lineal,para obtener el ángulo de fricción interna y la cohesión del suelo.

Fig. (8). Detalles del equipo de corte directo.

Fig. (9). Diagrama de ruptura de Mohr.

VALORES DE CARGA ADMISIBLE EN ARCILLAS.-

Descripción Ndel SPT

q adm,zapata

cuadrada(kg/cm2)

q adm,zapata

contínua(kg/cm2)

Muy blanda Menos de 2 Menos de 0.30 Menos de 0.22Blanda 2 a 4 0.30 a 0.60 0.22 a 0.45Mediana 4 a 8 0.60 a 1.20 0.45 a 0.90Compacta 8 a 15 1.20 a 2.40 0.90 a 1.80Muy compacta 15 a 30 2.40 a 4.80 1.80 a 3.60Dura Más de 30 Más de 4.80 Más de 3.60

VALORES DE CARGA ADMISIBLE EN ROCAS.-Hay que hacer uso del esclerómetro o martillo Schmidt, el que nos determina la resistencia a lacompresión (qu). Las rocas tienen una resistencia de qadm = 0.2 a 0.3 qu, kg/cm2

Donde:qu = Esfuerzo de rotura, del ensayo de compresión simple inconfinada, en kg/cm2.

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Descripción qadm,kg/cm2

Roca suaveRoca medianamente duraRoca dura y sana

84060

Rocas sedimentariasLutitas y pizarrasCalizas

8 a 1010 a 20

Rocas en plegamientosMicas 40Rocas ígneasBasalto, granito, diorita, sanas 20 a 40 y a 100Rocas metamórficasGneissMármol

10010 a 20

5.3 CONSOLIDACION Y ASENTAMIENTO DE SUELOS.-El Ensayo de Consolidación, se realiza con el edómetro o consolidómetro, y determina la Curva deConsolidación y la Curva de Compresibilidad. La Curva de Compresibilidad, muestra la relaciónentre la carga aplicada “p” y la relación de vacíos “e”.Varias edificaciones han tenido problemas de agrietamiento, debido al daño producido por elhundimiento de la cimentación, cuando ésta ha sido construida sobre un suelo blando ycompresible.Cuando colocamos apoyos fijos o empotramientos de los pórticos, estamos asumiendo que estos nose van a desplazar, ni hundir. Estas hipótesis no son válidas si el suelo, y por consiguiente laszapatas, se hunden. Se produce fallas en toda la edificación, que se manifiesta por agrietamientos enmuchos ambientes de la misma.

Fig.(10). Consolidómetro o edómetro.Método para determinar si un suelo es muy compresible.- Es a través del límite líquido (LL). Sedetermina el Indice de Compresión Cc, con la fórmula aproximada dada por Terzaghi:Cc = 0.009 (LL - 10%)Luego clasificamos la compresibilidad con la siguiente tabla dada por Crespo Villalaz:

Cc Compresibilidad0.00 a 0.19 Baja0.20 a 0.39 Media0.40 a más Alta

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Fig. (11). Curva de compresibilidad en escala logarítmica.También a través del Coeficiente de variación volumétrica mv:a) Realice la Curva de compresibilidad (presión X vs relación de vacíos Y) en escala aritmética.

b) Determine la pendiente del tramo virgen:av = e/ p = coeficiente de compresiiblidad = cm2/kg

c) Calcule mv = coeficiente de variación volumétrica.mv = av / (1 + e) = cm2/kge = relación de vacíos

d) Luego clasifique la compresibilidad según la tabla dada por M. J. Tomlinson:Compresibilidad mv (cm2/kg)

Muy baja Menor que 0.005Baja 0.005 - 0.010

Media 0.010 - 0.030Alta 0.030 – 0.150

Muy alta Mayor que 0.150IMPORTANTE.-Un suelo clasificado como de compresibilidad media, va a ocasionar problemas deasentamiento en la edificación.

No confíe en el suelo, no acepte diseños que no tengan un estudio de suelos serio, en la que no seincluya el Ensayo de Consolidación y el cálculo de asentamientos, con la firma de un profesionalresponsable. El hecho de que la compresibilidad de un suelo se clasifique como Media, no significaque el suelo no va a ocasionar problemas de asentamiento. Debajo de la edificación puede existir unestrato muy compresible, y si no lo detectamos vamos a dañar una edificación, la cual es muycostosa.Cuando los cálculos indican que se superan los asentamientos máximos, hay que eliminar el estratoblando, reemplazándolo por material granular (grava), compactado hasta una resistencia adecuada,o ubicar el nivel de cimentación debajo del estrato blando.No tenga reparos en eliminar el suelo compresible, y dejar un sótano hasta llegar a un estrato firme.Otra opción, es disminuir el número de pisos, aumentar el área del cimiento o usar cimentacionesprofundas.

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Fig. (12). Sede de la fiscalía en la ciudad de Lambayeque, en donde se presentan fallas porasentamientos. Diseñada para cinco niveles, la capacidad portante fue calculada erróneamente en 4kg/cm2. La capacidad portante neta real es de 0.70 kg/cm2

6. EL PROCESO CONSTRUCTIVO.-Se debe considerar el aspecto constructivo en el diseño de cimentaciones. Hay que evitar los dañosa terceros, durante la construcción del cimiento de la edificación. El tipo de cimentación elegidadefine la excavación (desequilibrio del suelo) a ejecutar.

Hay problemas éticos, legales y de calidad profesional del diseñador, cuando ocurre un accidente ofalla en la obra. Por ello, es necesario conocer la responsabilidad del diseñador y del constructor, odel diseñador estructural respecto a los demás profesionales (sanitarios, mecánico-eléctricos).Es peligroso excavar sin soportes. A veces la edificación vecina es de adobe, y su nivel decimentación es más alto que la nueva cimentación. Si falla la edificación vecina, ¿la responsabilidades del constructor, del diseñador o del que hizo el estudio de suelos?Respecto a las excavaciones para las cimentaciones y ademes, Peck, Hanson y Thornburn, en ellibro “Ingeniería de Cimentaciones”, página 205, afirman lo siguiente: “Ordinariamente, elingeniero especialista en cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de excavación en unlugar dado, ni de diseñar el apuntalamiento, si se necesita. Se considera que esta operacióncorresponde al contratista. Sin embargo, generalmente es obligación del ingeniero aprobar orecusar el procedimiento de construcción propuesto por el constructor y revisar el proyectodel apuntalamiento”.

Son muy comunes los agrietamientos de las casas vecinas cuando se hace una excavación, que sonde adobe o muy antiguas. Se producen también derrumbes que pueden ocasionar lesiones omuertes a los trabajadores. Cuando se excava una zanja en suelos granulares, el suelo se rompeformando un bloque casi triangular, de tal manera que el ángulo = 45 + /2. Siendo elángulo de fricción interna del suelo. Lo más conveniente es alejarse de la construcción vecina, ladistancia x = H ctg (45 + /2). Por ejemplo, para una arena de =30º, x = 0.577 H.

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Fig. (13).Rotura de suelo debido a excavación, en un modelo a escala reducida.

En suelos cohesivos y granulares, la altura crítica Hc, de una excavación vertical, o sea laprofundidad del talud hasta la cual se sostiene por sí solo, sin necesidad de soporte lateral vale:

φφ

γ sensencHc

−+

=112 …(1)

Siendo c la cohesión, el ángulo de fricción interna y el peso específico de masa del suelo. Laecuación anterior nos indica que para un suelo sin cohesión, la altura crítica es cero.Para un suelo cohesivo (arcilla o limo) = 0, = 1800 kg/m, entonces Hc = 2c/ . Para un suelogranular (arena), = 30º, = 1600 kg/m3 y c = 0. Se tiene las alturas máximas de excavaciónde la cohesión:

PROFUNDIDAD MAXIMA DE EXCAVACION

Cohesión,c (kg/cm2)

ARCILLASf=0 (m)

ARENASc=0(m)

ARENAS CONFINOSf,c 0

(m)0.050.100.200.300.40

0.51.12.23.34.4

00000

1.12.24.36.58.7

Estos valores hay que dividirlos entre un factor de seguridad.

Fig. (14). Dos obreros murieron por derrumbe de excavación de zanja de desagüe, el 26 deSetiembre del 2006, en Cayalti. El suelo era arenoso y la excavación era de 3m de profundidad.Tomado del diario “La Industria” de Chiclayo.

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Fig. (15). Agrietamiento de edificación, debido a excavación para construcción de un templo de tresniveles con sótano. Los agrietamientos aparecen durante la excavación.

7. EL MODELO ESTRUCTURAL.-Una arena suelta, o una arcilla blanda no garantizan un empotramiento perfecto. Winter y Nilson ensu libro “Proyecto de estructuras de hormigón”, dicen textualmente: “En soportes apoyados sobrezapatas relativamente pequeñas que a su vez descansan sobre un terreno compresible sesupone generalmente extremo articulado, ya que tales suelos sólo ofrecen una resistencia muypequeña a la rotación de la zapata. Por otra parte, si las zapatas descansan sobre roca sólida osi se utiliza un grupo de pilotes con su parte superior encepada en un bloque de hormigón, elefecto conseguido es una fijación casi completa del soporte sustentado y así debe suponerse enel cálculo”.

La ecuación general de un cimiento elástico es:

… (2)La ecuación se transforma en:

…(3)Siendo: Q = l*x,

4*4

*IEc

bK=λ

Integrando la ecuación diferencial (3) se obtiene, con las constantes y condiciones de frontera decada caso:

y = f( ,K) = f(l*x, K) …(4)Una vez integrada la ecuación, los diagramas de momentos se obtienen con:

… …(5)

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De las ecuaciones (2), (3), (4) y (5) se deduce que:

M, V, y = función (K del suelo, EI del cimiento) …(6)

también se escribe así:

43*

3tEc

K=λ

K = Coeficiente de balasto, Módulo de reacciñon de subrasante = p/Ec = Módulo de elasticidad del concretob = ancho del cimiento.I = Inercia de la sección de la cimentación.t = espesor del cimiento.a = 1/l, se llama unidad elástica.Un cimiento es rígido, si se verifica la relación, dada en la Norma ACI 336.2R 88 “SuggestedAnálisis and Design Procedures for combined footings and Mats”, reaprobado en el 2002, y que nosremiten a Fritz Kramrisch y Paul Rogers (Simplified Design of Combined footing, 1961), yKramrisch (Footings, 1984):

Separación de columnas adyacentes (L):L = Entre 1.75 / l y 3.50 / l

Para plateas, el modelo consiste en calcular la losa, como placa flotante sobre apoyos elásticos, enla que el apoyo elástico está constituido por resortes o muelles, a los que hay que asignarle unaconstante elástica.Nos planteamos resolver una platea de 50 cm de espesor, con separación de luces de columnas de 6m, correspondiente a un edificio de 5 niveles, en Chiclayo. La constante elástica determinada parael caso a resolver es de k = 1472 kg/cm = 147 t/m. Luego resolvemos otra platea más rígida de150 cm de espesor.

Fig. (16). Modelo de platea como placa flotante.

8. DISTRIBUCION DE PRESIONES EN EL SUELO.-Existe una relación entre la rigidez del concreto del cimiento y la rigidez del suelo. Esta relaciónafecta los resultados del análisis y diseño estructural. Para demostrarlo calculamos lasdeformaciones, momentos, cortantes de diseño, y las presiones sobre el suelo, de dos plateas de 50y 150 cm de espesor. Se muestran los diagramas. De allí se observa que cuando el peralte de laplatea es menor, las deformaciones, momentos y las distribuciones de esfuerzos son mayores y seconcentran debajo de las columnas. En cambio cuando la platea es rígida de más peralte, lasdeformaciones, momentos y distribución de presiones se atenúan.

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Fig. (17). Diagrama de deformaciones, momentos y presiones en el suelo, de una platea de 50 cm deespesor. Las presiones en el suelo, deformaciones y momentos, se concentran debajo de lascolumnas.

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Fig. (18). Diagrama de deformaciones, momentos y presiones en el suelo, del mismo caso anterior,pero con una platea rígida, de 150 cm de espesor. Las presiones en el suelo se atenúan.

10. CONCLUSIONES.-

10.1 El diseño de cimentaciones, debe considerar el mapa de peligros, que define la posibilidad o node la construcción.10.2 Se debe considerar el mapa geotécnico, por define el comportamiento del suelo sobre el que seva a edificar.10.3 Hay que evitar los daños a terceros, durante la construcción del cimiento de la edificación. Eltipo de cimentación a elegir define la excavación a ejecutar.10.4 El estudio de suelos define los parámetros de diseño y construcción de edificaciones. Debe serrealizado por un profesional competente.10.5 La interacción de la rigidez del cimiento y el suelo, afectan los resultados del análisisestructural.10.6 En el diseño de cimentaciones, incluir los efectos de: sismo, viento, vibraciones de máquinas,asentamiento del suelo, nivel freático, subpresión de agua, empuje de agua sobre la subestructura ysuperestructura, empuje de suelo sobre la subestructura y superestructura, licuación del suelo,expansión del suelo, derrumbes de los taludes de excavación, procedimiento de construcción,inundaciones, cambios de temperatura, agentes agresivos (sales, cloruros, sulfatos), socavación,erosión eólica e hidráulica, y demás fenómenos de la naturaleza.10.7 Hay que hacer cumplir en el diseño y construcción, las especificaciones del Código del ACI yReglamento Nacional de Edificaciones