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pág. 1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTO NOMA DE ME XICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES PLANTEL ARAGÓN “CIMENTACIÓN DE UN EDIFICIO DE DEPARTAMENTOS DE 5 NIVELES Y PLANTA DE ESTACIONAMIENTO EN SÓTANO A DOBLE ALTURA, DESPLANTADO EN ZONA DE TRANSICIÓN” DESARROLLO DE UN CASO PRÁCTICO PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL PRESENTA: Erik José Tapia Espinoza Asesor: Ing. Gabriel Ruiz González Servicio S. 10 Texto escrito a máquina Ciudad Nezahualcóyotl, Estado de México, 2018 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. pág. 2 Agradecimientos A mis padres Jesús Ignacio Tapia y Alejandra Norma Luz Espinoza, les agradezco su apoyo incondicional en todos mis proyectos de vida, porque sin ustedes no sería el hombre que soy hoy, en cada uno de mis logros estuvieron a mi lado brindándome lo mejor de ustedes y su infinito amor. A mi novia Diana Laura Navarrete, que siempre me ha apoyo, motivándome para sobrepasar cualquier obstáculo, extendiéndome su mano en los momentos difíciles y por todo su amor y cariño que todos los días me brinda. A mis amigos, que nunca me dejaron solo en ningún momento, siempre extendiéndome su mano cuando más lo necesitaba, muchas gracias a todos. A mi maestro el Ing. Gabriel Ruiz González, le agradezco por todos sus consejos y enseñanzas no solo durante la universidad, también durante mi desarrollo profesional. pág. 3 INTRODUCCIÓN 1. ANTECEDENTES………………………………………………………………….....6 1.1. Descripción del proyecto………………………………………….7 1.2. Geología del sitio en estudio……………………………………..9 2. EXPLORACIÓN Y MUESTREO……………………………………………….…..21 2.1. Tipos de sondeos……………………………………………..…22 2.2. Exploración y muestreo del sitio en interés………………..….23 3. PRUEBAS DE LABORATORIO……………………………………………..……30 3.1. Sistema unificado de clasificación de suelos……………..…..32 3.2. Propiedades y parámetros del suelo………………………......34 3.3. Propiedades físicas de los suelos…………………………..….34 3.3.1. Relaciones de pesos y volúmenes…………….…..36 3.3.2. Relaciones fundamentales……………………….....36 3.4. Parámetros índices de los suelos………………………….…..37 3.4.1. Límites de plasticidad……………………………..…38 3.4.2. Limite liquido……………………………………..…...38 3.4.3. Limite plástico……………………………………......39 3.5. Propiedades mecánicas de los suelos……………………..….40 3.5.1. Compresión uniaxial……………………………..….41 3.5.2. Compresión triaxial……………………………….....42 3.5.3. Prueba lenta (CD)………………………………..….43 3.5.4. Prueba (CU)……………………………………….....46 3.5.5. Prueba (UU)………………………………………….48 4. CARACTERÍSTICAS ESTRATIGRAFICAS Y FÍSICAS DEL SUBSUELO…………………………………………………………………………..50 4.1. Correlaciones con la prueba de penetración estándar……....54 5. ANÁLISIS DE CIMENTACIÓN…………..…………………………………………57 5.1. Análisis de cargas……………………………………………….58 5.2. Capacidad de carga por fricción……………………………….61 5.3. Capacidad de carga……………………………………………..64 5.4. Estado límite de falla en condiciones estáticas…...………....65 5.5. Estado límite de falla en condiciones dinámicas..………......66 5.6. Esfuerzos máximos…….………………………………………..69 5.7. Estado límite de servicio………………………………………...71 5.8. Empuje sobre muros rígidos perimetrales del sótano..……..74 5.9. Falla de fondo………………….………………………………...76 5.10. Estabilidad de taludes……….……………………………….….77 5.11. Tablaestaca en voladizo en arcilla…….…………………….…80 5.12. Presiones temporales sobre muros tablaestacados y troqueles …………………………………………………….…….85 5.13. Revisión por falla de empotramiento de la tablaestaca……...88 6. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO……………………………………………89 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………………..104 ANEXO 1 REPORTE FOTOGRÁFICO ANEXO 2 PRUEBAS DE LABORATORIO BIBLIOGRAFIA Índice pág. 4 INTRODUCCIO N pág. 5 Antes de la aparición como tal de la rama de la ingeniería civil, “La Mecánica de Suelos”, sus problemas eran resueltos de una manera intuitiva, haciendo uso de experiencias de comportamiento de proyectos pasados, pero gracias a los aportes de varios investigadores como lo son: Dr. Ing. Karl Terzaghi, Ralph B. Peck, Arthur Casagrande, Charles A de Coulomb, William John Macquorn Rankine, Albert Attenberg por mencionar algunos. Han desarrollado modelos matemáticos para dar una solución, a la posible reacción de los suelos, provocados por la modificación del hombre. En este trabajo se mostrara el diseño con ayuda de las teorías de los investigadores antes mencionados, de la cimentación de un edificio de departamentos situado en una zona de transición más adecuada constructivamente, económicamente y sobre todo segura. Además tendrá el objetivo de mostrar la importancia que tiene la mecánica de suelos, al mostrar todas las problemáticas que ocasionara la construcción del proyecto mencionado, como se atacara y resolverán dichos problemas. El trabajo mostrara las fases de un estudio de mecánica de suelos: la exploración y muestreo, pruebas de laboratorio y la ingeniería, paso a paso como se fue realizando el estudio. El proyecto contará con una cimentación compuesta por un cajón de cimentación que generara un alivio por los volúmenes excavados y que a su vez contara con pilotes de fricción para poder contrarrestar las presiones negativas producidas por el mismo alivio del suelo. Se presentara la revisión ante los estados de falla estáticos, dinámicos, esfuerzos máximos, estado límite de servició y como se solucionaran cada uno de ellos. La obra de contención se llevara a cabo con el sistema de muro Milán la cual servirá para contenerla inestabilidad de los taludes y los empujes del suelo debido a su cambio de estado sufridos por parte de la obra. Con el fin de mostrar a los futuros ingenieros geotecnias la importancia de esta área, los parámetros necesarios para poder aplicar las teorías y llegar a la solución adecuada. pág. 6 ANTECEDENTES pág. 7 1.1 Descripción del proyecto Se proyecta la construcción de un edificio para departamentos, en el predio ubicado en la calle de Christian Andersen No. 409, casi esquina con presidente Masaryk, Colonia Polanco, Delegación Miguel Hidalgo, México, D. F. La localización del sitio se muestra en la figura 1 y 2. Actualmente el predio de interés se encuentra con una estructura de dos niveles con un estacionamiento en superficie, con un nivel de piso terminado a +0.30 m, con respecto a la calle de Christian Andersen (N. B. = 0.00). El predio tiene un área de 541.57 m2. Se efectuó un levantamiento del tipo de las estructuras colindantes con el predio de interés; encontrándose colindando al Norte con un edificio de seis niveles, apoyado superficialmente, al Sur con una casa de dos niveles; al Oriente colinda con la calle de Christian Andersen; y al Poniente colinda con una casa de dos niveles. El proyecto contempla la construcción de un edificio con: Planta estacionamiento 1, en sótano a doble altura, con NPT = -6.80 m. Planta de servicios, con NPT = -4.50 m del vestíbulo de servicios, cuarto de choferes y bodegas. Planta baja en semisótano, con NPT = -1.80 m para departamentos Primer nivel con NPT = +1.80 m para departamentos. Segundo nivel con NPT = +5.40 m para departamentos. Tercer nivelcon NPT = +9.00 m para departamentos. Cuarto nivel con NPT = +12.60 m para departamentos. Planta azotea a la cota +16.57 m, con respecto al nivel ± 0.00, que corresponde al nivel de banqueta de la calle de Christian Andersen. Con objeto de proporcionar las recomendaciones de cimentación de la estructura proyectada; se efectuaron diversos análisis de Mecánica de Suelos basados en los resultados del muestreo y exploración del subsuelo realizado en el predio de interés y en pruebas de laboratorio. En este documento se describen los trabajos realizados, se reportan los resultados obtenidos y se consignan las recomendaciones para el diseño y para construcción de la alternativa de cimentación que se juzga más conveniente para la estructura proyectada. pág. 8 FIGURA. 1 CROQUIS DE LOCALIZACION Croquis de localización pág. 9 FIGURA. 2 PREDIO DE INTERES 1.2 Geología del sitio en estudio Nuestro proyecto se encuentra ubicado en una zona de transición la cual se define como una condición del subsuelo desde el punto de vista estratigráfico, varían los estratos de una manera abrupta de un punto a otro. Generalmente en esta zona se alojan depósitos superficiales arcilloso o limosos, cubriendo arcillas volcánicas muy compresibles las cuales se encuentran con espesores variables, capas intercaladas de materiales friccionantes como arenas limosas o limpias. Todo esto está depositado sobre un capa dura aproximadamente a los 20 metros de profundidad compuesta de arenas y gravas. Predio de interés pág. 10 Una de las principales desventajas de esta zona se debe a sus asentamientos diferenciales ya que pueden ser muy críticos sobre todo cuando la condición de carga no es uniforme. Para poder realizar un buen diseño, se debe hacer una buena exploración del sitio para identificar los estratos susceptibles a grandes asentamientos y para conocer la capacidad de carga del estrato donde se alojara el cimiento. Como un ejemplo de las consecuencias que pueden derivarse de la ignorancia de este punto fundamental, marsal y mazari citan el caso, por cierto muy reiterado, de un edificio cimentado sobre pilotes de punta calculados con fórmulas dinámicas, de tanto uso desdichadamente en el pasado. Al ser hincados hasta el rechazo, los pilotes quedaran apoyados a profundidades muy diferentes de acuerdo con la erraticidad con que aparecieron lentes de arena resistentes. Al cabo de muy poco tiempo, la estructura sufrió daños muy severos emanados del hecho de que los lentes de arena estaban contenidos en una matriz generalmente arcillosa compresible y por estar los lentes a muy diferentes niveles, los espesores de arcilla bajo los pilotes resultaron también muy distintos, siéndolos, por lo tanto sus asentamientos totales. Hay sitios dentro de la zona de transición, como los antiguos cauces de ríos, rellenos con material granular grueso acarreado, donde se han erigido construcciones mayores de 10 pisos empleando losas de cimentación poco profundas y, en otros casos de menor altura, zapatas. La Torre Ejecutiva Pemex es un rascacielos ubicado en la colonia Verónica Anzures de la Ciudad de México, en la Avenida Marina Nacional #329, colonia Petróleos Mexicanos, Delegación Miguel Hidalgo, la cual se encuentra cimentada en la zona de transición, esta se solucionó con pilas apoyadas en una capa dura ubicada a 20 metros sobre el nivel de banqueta, a lo cual, se evitan los asentamientos abruptos de los estratos de alta compresibilidad ubicados debajo de la edificación. En las figuras 3 a 12 se presentan las plantas y corte arquitectónico del edificio proyectado. pág. 11 FIGURA. 3 PLANTA DE CONJUNTO I I pág. 12 FIGUTRA. 4 PLANTA ESTACIONAMIENTO 1 A DOBLE ALTURA NPT -6.80 m pág. 13 FIGURA. 5 PLANTA SERVICIOS NPT -4.50 m pág. 14 FIGURA. 6 PLANTA SEMISOTANO NPT -1.80 m pág. 15 FIGURA. 7 PLANTA PRIMER NIVEL NPT +1.80 m pág. 16 FIGURA. 8 PLANTA SEGUNDO NIVEL NPT +5.40 m pág. 17 FIGURA. 9 PLANTA TERCER NIVEL NPT +9.00 m pág. 18 FIGURA. 10 PLANTA CUARTO NIVEL NPT +12.60 m pág. 19 FIGURA. 11 PLANTA AZOTEA NIVEL NPT +16.57 m pág. 20 FIGURA. 12 CORTE A-A pág. 21 EXPLORACIO N Y MUESTREO pág. 22 EL estudio geotécnico se compone por 3 etapas, la primera etapa denominada “exploración” que consiste en determinar la naturaleza de los depósitos alojados en el subsuelo de nuestro predio, conocer los espesores de las capas geológicas, su resistencia, consistencia, color y textura. Así como evaluar posibles riesgos geológicos como son deslizamientos, fallas por licuación, hundimientos, cavernas, rellenos, etc. También se pueden obtener muestras alteradas e inalteradas que nos servirán en la segunda etapa denominada “pruebas de laboratorio” En la etapa de exploración también se realizan visita física al predio, observación de las construcciones colindantes como lo es número de niveles, uso, tipo de cimentación (si es posible observar), estado del inmueble, calidad del subsuelo, nivel freático, en ocasiones solo es necesario hacer uso de la prueba de penetración estándar (SPT) para conocer la densidad y tipo de materiales que se alojan en el predio. Sin embargo, en otros casos será necesario hacer uso de sondeos mixtos, pruebas geofísicas, perforaciones cónicas, perforaciones con uso de barrenos, barriles, hasta explosivos, todo dependiendo de la importancia del proyecto. Debido a la variedad de mariales existentes que conforman los depósitos naturales, es importante hacer una investigación previa de sitio donde se desplantara nuestro proyecto para tener más elementos a la hora de elegir el tipo de exploración que se realizará con el fin de evitar investigaciones costosas e innecesarias. 2.1 Tipos de sondeos A continuación se enlistan las pruebas de exploración más usadas en la mecánica de suelos para la obtención de muestras y datos del subsuelo: Métodos de exploración de tipo preliminar I. Pozos a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado II. Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares III. Método de lavado IV. Sondeo de penetración estándar (SPT) V. Sondeo de penetración cónica VI. Perforaciones en boleos y gravas Métodos definitivos I. Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado II. Método con tubo de pared delgada (tubo shelby) III. Método rotario para roca pág. 23 Métodos geofísicos I. Sísmico II. De resistencia eléctrica III. Magnético y gravimétrico 2.2 Exploración y muestreo del sitio de interés Para conocer las características estratigráficas y físicas de los materiales del subsuelo del sitio de interés, se realizó un sondeo de tipo mixto, denominado SM- 1, a 22.10 m de profundidad. El sondeo mixto se efectuó combinando el muestreo inalterado con muestreador shelby, con el muestreo alterado mediante la realización de la prueba de penetración estándar. El muestreo inalterado se efectuó con tubos de acero de pared delgada de 10 cm. de diámetro y 1 m de longitud, con el extremo inferior afilado y unido por el superior a un cabezal con una válvula que permite el alivio de presión durante el hincado y que se cierra durante su extracción. En suelos blandos el muestreador shelby se hinca 80 cm. a presión con velocidad constante, dejando una longitud de 20 cm. Donde se alojen los azolves que pudieran tenerse en el fondo de la perforación. En suelos duros el extremo inferior del tubo shelby, se le forman ocho dientes de corte en sierra dispuestos simétricamente, de 1 cm. de altura y 3 cm. en la base, hincándolo a rotación 80 cm. aplicando presión vertical y una velocidad del orden de 60 RPM. Se obtuvieron muestras representativasalteradas mediante la prueba de penetración estándar, que consiste en determinar el índice de resistencia a la penetración estándar de los materiales atravesados, correspondiente al número de golpes necesarios para hincar 30 cm. el penetrómetro estándar, mediante el impacto de un martinete de 63.5 Kg. que cae libremente desde 76 cm. Para conocer las características estratigráficas y físicas de los depósitos superficiales del subsuelo se determinaron mediante la excavación de tres pozos a cielo abierto denominados PCA – 1 a PCA – 3, a profundidades variables de 1.50 a 3.0 m, registrando la estratigrafía de las paredes mediante técnicas de campo. La localización en planta de los sitios donde se excavaron los pozos a cielo abierto se muestra en la figura. En el anexo I se presenta un reporte fotográfico de los pozos a cielo abierto excavados. pág. 24 En la figura 13 se presenta el registro de campo del sondeo realizado y en las figuras se muestra el perfil estratigráfico del sondeo profundo y de los pozos a cielo abierto excavados. FIGURA. 13 UBICACIÓN DEL SONDEO PROFUNDO SM-1 Y DE LOS POZOS A CIELO ABIERTO PCA-1, PCA-2 Y PCA-3 pág. 25 FIGURA. 14 REGISTRO DE CAMPO DEL SONDEO MIXTO SM-1 OBRA: CHRISTIAN ANDERDEN #409 LOCALIZACIÓN COL. POLANCO, DEL.: MIGUEL HIDALGO, CDMX FECHA DE INICIO: 20/12/2016 POZO N° 1 TERMINACIÓN: 20/12/2016 TIPO DE SONDEO: MIXTO PERFORADORA: LONG YEAR 34 BOMBA: MOYNO 3L6 PENETRACIÓN ESTÁNDAR TIPO DE MUESTRA PROFUNDIDAD RECUPERACIÓN PESO DEL MARTILLO 64kg HERRAMIENTA N° m. ALTURA DE CAIDA 75cm CLASIFICACIÓN Y OBSERVACIONES CR% N° DE GOLPES EN INICIAL FINAL AVANCE m % (DEERE) 15 cm 30 cm 15 cm MUESTREO 1 0.00 0.60 0.60 0.38 4 12 6 T.P. 2 0.60 1.20 0.60 0.33 4 12 9 T.P. 3 1.20 1.80 0.60 0.32 4 17 17 T.P. 4 1.80 2.40 0.60 0.20 4 24 10 T.P. 5 2.40 3.00 0.60 0.36 3 5 4 T.P. 6 3.00 3.60 0.60 0.20 2 6 6 T.P. 7 3.60 4.20 0.60 0.43 4 13 9 T.P. 8 4.20 4.80 0.60 0.47 4 13 10 T.P. 9 4.80 5.40 0.60 0.20 2 6 3 T.P. 10 5.40 6.00 0.60 0.31 3 6 3 T.P. 11 6.00 6.60 0.60 0.54 1 4 2 T.P. 12 6.60 7.30 0.70 0.70 PRESIÓN T.S.H. 13 7.30 7.90 0.60 0.34 8 9 2 T.P. P.SUP.: ARENA FINA CON GRAVAS EMPACADAS P.INF.: ARCILLA COLOR CAFÉ OBSCURO 14 7.90 8.50 0.60 0.10 2 PH 2 T.P. ARCILLA ARENOSA COLOR CAFÉ OBSCURO 15 8.50 9.08 0.58 0.41 2 47 50/13 T.P. P.SUP.: ARCILLA CAFÉ OBSCURO P.INF.: LIMO ARENOSO CON GRAVAS EMPACADAS - 9.08 9.10 0.02 AVANCE B.T. BROCA TRICONICA 2 15/16'' 16 9.10 9.70 0.60 0.49 7 14 7 T.P. 17 9.70 10.30 0.60 0.36 10 27 18 T.P. 18 10.30 10.62 0.32 0.21 30 50/17 T.P. - 10.62 10.90 0.28 AVANCE B.T. 19 10.90 11.50 0.60 0.50 1 5 8 T.P. 20 11.50 12.30 0.80 0.67 PRESION T.S.H. 21 12.30 12.90 0.60 0.30 2 3 1 T.P. 22 12.90 13.50 0.60 0.50 PH 2 2 T.P. 23 13.50 14.10 0.60 0.37 PH 1 1 T.P. 24 14.10 14.90 0.80 0.50 PRESIÓN T.S.H. 25 14.90 15.50 0.60 0.41 2 11 26 T.P. 26 15.50 16.10 0.60 0.42 9 29 16 T.P. 27 16.10 16.70 0.60 0.47 9 19 12 T.P. 28 16.70 17.30 0.60 0.46 6 16 11 T.P. - 17.30 17.90 0.60 SR 10 35 11 T.P. SIN RECUPERACIÓN 29 17.90 18.35 0.45 0.39 6 50 T.P. LIMO ARENOSO COLOR CAFÉ CLARO - 18.35 18.50 0.15 AVANCE B.T. BROCA TRICONICA 2 15/16'' 30 18.50 18.77 0.27 0.24 30 50/12 T.P. LIMO ARENOSO CON GRAVILLAS COLOR CAFÉ CLARO - 18.77 19.10 0.33 AVANCE B.T. BROCA TRICONICA 2 15/16'' 31 19.10 19.51 0.41 22 50/26 T.P. - 19.51 19.70 0.19 AVANCE B.T. BROCA TRICONICA 2 15/16'' 32 19.70 20.15 0.45 0.39 21 50 T.P. - 20.15 20.30 0.15 AVANCE B.T. BROCA TRICONICA 2 15/16'' 33 20.30 20.75 0.45 0.40 12 50 T.P. - 20.75 20.90 0.15 AVANCE B.T. BROCA TRICONICA 2 15/16'' 34 20.90 21.17 0.27 0.24 36 50/17 T.P. LIMO ARENOSO COLOR CAFÉ CLARO CON GRAVILLAS EMPACADAS - 21.17 21.50 0.33 AVANCE B.T. BROCA TRICONICA 2 15/16'' 35 21.50 22.10 0.60 0.46 18 45 40 T.P. LIMO ARENOSO POCO ARCILLOSO DE COLOR CAFÉ CLARO 22.10 Nivel Freático (m): 6.50 M Turno de: 9:00 a.m. Hrs. Profund. del proyecto: 22.00 mts. Observaciones generales: Profundidad real: 22.10 mts. Operador: ABEL GARCIA Supervisor: Erik Jóse Tapia Espinoza Ademe (m):3.20 M DE ADEME NW, METALICO RECUPERABLE Fecha: 20 DE DICIEMBRE DE 2016 ARCILLA POCO LIMOSA COLOR CAFÉ OBSCURO P.SUP.: LIMO ARENOSO P.INF.: ARENA FINA LIMOSA CON GRAVAS EMPACADAS ARCILLA ARENOSA COLOR CAFÉ CLARO P. SUP.:ARCILLA CON MATERIAL DE RELLENO P. INF.: ARCILLA PLASTICA NEGRA ARCILLA PLASTICA POCO ARENOSA COLOR CAFÉ OBSCURO P.SUP.: ARENA FINA COLOR CAFÉ P. INF.: ARCILLA LIMOSA ARENA FINA POCO LIMOSA COLOR CAFÉ OBSCURO ARCILLA PLASTICA COLOR CAFÉ OBSCURO ARCILLA LIMOSA COLOR CAFÉ CLARO P.SUP.: ARENA FINA COLOR CAFÉ P.INF.: ARCILLA PLASTICA CAFÉ OBSCURO ARCILLA COLOR CAFÉ OBSCURO ARCILLA COLOR CAFÉ OBSCURO ARCILLA COLOR CAFÉ OBSCURO ARENA FINA LIMOSA VERDOSA ARENA FINA VERDOSA CON GRAVILLAS EMPACADAS LIMO ARENOSO COLOR CAFÉ CLARO LIMO ARENOSO COLOR CAFÉ CLARO LIMO ARENOSO COLOR CAFÉ CLARO ARENA FINA POCO LIMOSA VERDOSA REPORTE DIARIO DE PERFORACIÓN P.SUP.: ARCILLA LIMOSA P.INF.: ARCILLA ARENOSA ARCILLA VERDOSA CON RAICES VEGETALES P.SUP.:ARCILLA CAFÉ ROJIZA CON LENTES DE ARENA FINA NEGRA P.INF.: ARCILLA VERDOSA P.SUP.: ARCILLA VERDOSA P.INF.: ARCILLA ARENOSA VERDOSA P.SUP.: ARCILLA CAFÉ VERDOSA P.INF.: ARENA FINA POCO LIMOSA ARENA FINA NEGRA POCO LIMOSA EN P.SUP. LIMO ARENOSO COLOR GRIS VERDOSO BROCA TRICONICA 2 15/16'' ARCILLA POCO LIMOSA COLOR CAFÉ GRIS VERDOSA LIMO ARCILLOSO COLOR VERDOSO pág. 26 SM-1 FIG. 15 pág. 27 0.70 No. 1 17.71 NIVEL DE AGUA FREATICA Croquis de Localización 31 ARENA POCO ARCILLOSA DE COLOR CAFÉ CON GRAVAS DE HASTA 3" REDONDEADAS HACIA LA COLINDANCIA ORIENTE 0 MC 0.0 1.00 OH-MH 90 PCA'S: 18 GRAVA 63 0.00 - 2.00 m 20.81 1.30 2.50 20 GRUPO 29 Profundidad: 17 0.50 1.50 CL Obra: 78 0 2.30 CHRISTIAN ANDERSEN # 409 15 Fecha: RELLENO 22 CL ARCILLA Prof. del Naf.: 0 ARCILLA LIMOSA COLOR CAFÉ OBSCURO, PLASTICA Y CONSISTENCIA MEDIA 10 DICIEMBRE DE 2016 14 24.40 S I M B O L O G I A Observaciones 51 Supervisor: 35 LIMO FIGURA. 16 37 MATERIAL DE RELLENO A BASE DE LIMO ARENOSO POCO ARCILLOSO CON PEDACERIA DE TABIQUE COLOR CAFÉ DENSIDAD DE SÓLIDOS Ss Ss A RAICES VEGETALES W GRAVAS Erik José Tapia Espinoza % LP FINOS % PERFIL ESTRATIGRAFICO DE POZO A CIELO ABIERTO W % C IP PESO VOLUMETRICO G % F LL % G CONTENIDO DE AGUA INDICE PLASTICO ARENA % COHESIÓN 3.00 F TRIAXIAL RELACIÓN DE VACIOS ALP % ANGULO DE FRICCION INTERNA LP LL CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN e PRUEBAS DE LABORATORIO LIMITE PLASTICO (Ton/m3)(Grados) W LIMITE LIQUIDO C (Ton/m2) GRAVAS qu e PERFIL 2.00 MUESTRA CUBICA P R O F U N D ID A D ARENA pág. 28 DENSIDAD DE SÓLIDOS MUESTRA CUBICA INDICE PLASTICO ARENA GRUPO LL COHESIÓN 1.35 NIVEL DE AGUA FREATICA F ANGULO DE FRICCION INTERNA Supervisor: Croquis de Localización ARCILLA LIMOSA COLOR CAFÉ OBSCURO 1.00 % 23 0.50 % 82 % LIMITE LIQUIDO CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN Ss MC P R O F U N D ID A D LP FINOS PERFIL LP C qu PESO VOLUMETRICO PCA'S: CHRISTIAN ANDERSEN # 409 e CL 1.50 % 22 TRIAXIAL 2.30 G LIMITE PLASTICO 3.00 0.0 A S I M B O L O G I A IP GRAVAS Obra: C RELACIÓN DE VACIOS Profundidad: DICIEMBRE DE 2016 21.67 2.00 % 0 ARENA PERFIL ESTRATIGRAFICO DE POZO A CIELO ABIERTO PRUEBAS DE LABORATORIO % LL CONTENIDO DE AGUA No. 2 (Ton/m2) MATERIAL DE RELLENO A BASE DE ARCILLA PLASTICA CON PEDACERIA DE TABIQUE. ARCILLA LIMOSA COLOR CAFÉ OBSCURO CON RAICES VEGETALES Y TEZONTLE W F RELLENO A G Fecha: Observaciones e Prof. del Naf.: FIGURA. 17 45 % 12 ARCILLA 0.00 - 1.35 m (Grados) Erik José Tapia Espinoza RAICES VEGETALES Ss LP W GRAVA 2.50 LIMO (Ton/m3) WGRAVAS pág. 29 ARCILLA 0.00 - 3.05 m (Grados) Erik José Tapia Espinoza LP W RAICES VEGETALES Ss 2.15 W F MATERIAL DE RELLENO A BASE DE LIMO ARENOSOPOCO ARCILLOSO CON PEDACERIA DE TABIQUE COLOR CAFÉ ARENA POCO ARCILLOSA DE COLOR CAFÉ CON GRAVAS DE HASTA 3" REDONDEADAS RELLENO A Fecha: Observaciones ARCILLA POCO ARENOSA COLOR GRIS OBSCURO DE CONSISTENCIA BLANDA Prof. del Naf.: FIGURA. 18 G % e LIMO (Ton/m3) LIMITE LIQUIDO CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN % MUESTRA CUBICA INDICE PLASTICO ARENA DENSIDAD DE SÓLIDOS GRUPO LL COHESIÓN NIVEL DE AGUA FREATICA F Supervisor: Croquis de Localización 1.00 % ANGULO DE FRICCION INTERNA 1.20 0.50 % GRAVAS GRAVA 2.50 LIMITE PLASTICO G MC P R O F U N D ID A D LP FINOS Ss ARCILLA LIMOSA COLOR CAFÉ OBSCURO, PLASTICA Y CONSISTENCIA MEDIA PERFIL LP C PCA'S: CHRISTIAN ANDERSEN # 409 e 1.50 % PESO VOLUMETRICO TRIAXIAL W qu 3.05 No. 3 (Ton/m2) ARENA PERFIL ESTRATIGRAFICO DE POZO A CIELO ABIERTO PRUEBAS DE LABORATORIO LL CONTENIDO DE AGUA %0.0 A S I M B O L O G I A IP 2.85 Obra: C Profundidad: DICIEMBRE DE 2016 GRAVAS 2.00 % RELACIÓN DE VACIOS pág. 30 PRUEBAS DE LABORATORIO pág. 31 Todas las muestras obtenidas se clasificaron en forma visual y al tacto, en estado húmedo y seco mediante pruebas del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS); se determinó también su contenido natural de agua. En los estratos representativos se hicieron límites de consistencia o se determinó el porcentaje de finos, según se tratará de suelos finos o gruesos; se obtuvieron en ambos la densidad de sólidos. Para conocer los parámetros de resistencia del suelo, se efectuaron en muestras inalteradas ensayes de compresión axial no confinada y compresión triaxial no consolidada- no drenada (pruebas UU). La ley de resistencia definida por la envolvente de los círculos de Mohr correspondientes a los estados de esfuerzo desviador máximo, obtenidos en pruebas de compresión triaxial no consolidada - no drenada, UU, así como los registros de laboratorio y las gráficas de esfuerzo- deformación unitaria, de las pruebas UU. Los parámetros de compresibilidad del suelo se obtuvieron por medio de pruebas de consolidación estándar. Las pruebas de laboratorio se realizaron siguiendo las especificaciones establecidas en la Norma NMX-C-416-ONNCCE. Para conocer los parámetros de resistencia del suelo, se efectuaron correlaciones del número de golpes para determinar la consistencia y compresión simple del material en suelos finos y la compacidad y el ángulo de fricción interna en suelos friccionantes, en la tabla 1 se presenta la correlación del número de golpes obtenido de la prueba de penetración estándar según Terzaghi y Peck. Tabla 1. Correlaciones para arcilla y arena pág. 32 3.1 Sistema unificado de clasificación de suelos Este sistema es el más utilizado entre los diversos sistemas, los cuales se basan en los componentes del suelo y sus correlaciones el tipo de suelo con el comportamiento generalizado del mismo. Todos los suelos se clasifican de grano grueso (partículas >0.074 mm), de grano fino (partículas < 0.074 mm). Los suelos de grano grueso se subdividen por el tamaño de sus partículas en boleos (partículas mayores a 8 pulgadas), cantos (de 3 a 8 pulgadas), gravas y arenas. Para arenas (S) y gravas (G) la distribución del tamaño del grano se identifica como mal graduada (p) o bien graduada (W). La presencia de fracciones de suelo de grano fino como el limo y la arcilla, se indican por los símbolos M y C respectivamente. Las arenas también pueden clasificarse en gruesas (mayores a la malla #10), medias (menores a la malla #10 y mayores a la malla #40), o finas (menores que la malla #40). Los suelos de grano fino se clasifican por su límite líquido y el índice de plasticidad, en arcillas orgánicas OH o limos OL, arcillas inorgánicas CH o CL, o en limos o limos arenosos MH o ML. Para los suelos limosos y orgánicos los símbolos H y L denotan alto y bajo potencial de compresibilidad y en el caso de las arcillas denotan alta o baja plasticidad. pág. 33 Figura 19. Sistema unificado de clasificación de suelos (sucs). (En Ingeniería Geológica p.24 por Luis I. González de Vallejo, 2004) pág. 34 3.2 Propiedades y parámetros del suelo Las propiedades básicas del suelo y sus parámetros, pueden dividirse en físicas, índices y mecánicas. Las propiedades físicas del suelo comprenden: densidad, tamaño y distribución de partículas, contenido de humedad. Los parámetros índices de los suelos cohesivos abarcan el límite líquido, límite plástico, límites de contracción y actividad. Tales parámetros son útiles para la clasificación de suelos cohesivos y proveen correlaciones con las propiedades mecánicas de los suelos. Las propiedades mecánicas de los suelos y sus parámetros describen el comportamiento de los suelos bajo esfuerzos inducidos y cambios del medio ambiente. Para la mayoría de las aplicaciones geotécnicas son importantes, la resistencia, deformabilidad y permeabilidad de los suelos in situ y de los compactados. (Frederick S. Merritt y Wiiliam S. Gardner, s.f., p.7-10) 3.3 Propiedades físicas de los suelos El suelo se distingue por tres fases: solida, liquida y gaseosa. La fase solida está compuesta por partículas minerales del suelo (incluyendo la capa solida absorbida); la fase liquida por el agua (libre, específicamente), aunque en los suelos pueden existir otros líquidos de menor significado y la fase gaseosa comprende sobre todo aire, si bien puede existir la presencia de diversos gases como vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc. La fase liquida y gaseosa del suelo suelen comprender en el volumen de vacíos, mientras la fase solida comprende al volumen de sólidos. Se dice que el suelo está totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Muchos suelos bajo en nivel de aguas freáticas son totalmente saturados. Se puede determinar fácilmente el peso de las muestras húmedas, los pesos de muestras secas y el peso relativo de los suelos estas relaciones de tipo volumétrica y gravimétrica, son de mayor importancia para la aplicación sencilla y rápida e la teoría y su dominio debe considerarse indispensable. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p.51) pág. 35 FIGURA. 20 ESQUEMA DE UNA MUESTRA DE SUELOS. El significado de los símbolos es el siguiente: Vm= Volumen total de la muestra de suelo (volumen de la masa). Vs = Volumen de la fase solidad (Volumen de solidos). Vv= Volumen de vacíos. Vw= Volumen de la fase liquida (volumen del agua). Va= volumen de la fase gaseosa (volumen del aire). Wm= Peso total de la muestra del suelo (peso de la masa). Ws=Peso de la fase solida de la muestra (peso de los sólidos). Ww= peso del agua Wa= peso de la fase gaseosa, convencionalmente considerada como nulo en la mecánica de suelos. Fase gaseosa pesos Fase Liquida Fase sólida Volumenes Vv WmVwVm Ws Va Vs Ww Wa=0 pág. 36 Relaciones de pesos y volúmenes En mecánica de suelos se relaciona el peso de las distintas fases con sus volúmenes correspondientes, por medio del concepto de peso específico, es decir, de la relación entre el peso de la sustancia y su volumen. ϒo= Peso específico del agua destilada, a 4°C de temperatura y a la presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. En forma práctica consideramos como 1 Ton/m3 el valor del agua. ϒm=Peso específico de la masa del suelo. Por definirse como: 𝛾𝑚 = 𝑊𝑚 𝑉𝑚 = 𝑊𝑠 + 𝑊𝑤 𝑉𝑚 El peso específico de la fase solida del suelo se obtiene: 𝛾𝑠 = 𝑊𝑠 𝑉𝑠 El peso específico relativo se define como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua, en sistemas de unidades apropiados, su valor es idéntico al módulo del peso específico. Sm = peso específico relativo de la masa del suelo 𝑠𝑚 = 𝛾𝑚 𝛾𝑜 Ss= Peso específico relativo de la fase solida del suelo:𝑠𝑠 = 𝛾𝑠 𝛾𝑜 Relaciones Fundamentales El contenido de agua (w): Representa el peso del agua libre contenida en la muestra, expresada como un porcentaje del peso seco. 𝑤% = 𝑊𝑤 𝑊𝑠 𝑥100 Dada la muestra, se pesa para tener Wm. A continuación se seca al horno y se vuelve a pesar, para tener Ws. Ahora Ww=Wm-Ws, con lo cual la humedad queda determinada. pág. 37 El grado de saturación (s): Es el porcentaje de la relación del volumen del agua libre contenida en la muestra y el volumen total de vacíos. 𝐺𝑤 = 𝑤 ∗ 𝑆𝑠 𝑒 Porosidad (n): Es una medida de cantidad relativa de vacíos, entre el volumen de vacíos y el volumen total del suelo 𝑛 = 𝑉𝑣 𝑉𝑚 = 𝑒 1 + 𝑒 𝑥100 Relación de vacíos (e) es la relación entre el volumen de los vacíos y el de los sólidos de un suelo: 𝑒 = 𝑉𝑣 𝑉𝑠 3.4 Parámetros índices de los suelos Existen suelos que al ser remoldeados, cambian su contenido de agua si es necesario, adoptan una consistencia característica, que desde épocas antiguas se han denominado plástica. Al tratar de definir en términos simples la plasticidad de un suelo, no resulta suficiente decir que un suelo plástico puede deformarse y remoldearse sin agrietamiento, pues una arena fina húmeda tiene esas características cuando la deformación es de manera lenta, sin embargo en un sentido más amplio de la palabra hay entre el comportamiento de la arcilla y el de la arena en cuestión una importante diferencia, el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformación, mientras en la arena varia; además la arena tiende a desmoronarse en deformación rápida. En mecánica de suelos puede definirse la plasticidad como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p.123-127) pág. 38 Límites de plasticidad Atterberg hizo notar que la plasticidad es una propiedad permanente de las arcillas, solamente que esta es dependiente del contenido de humedad. Una arcilla seca puede tener una consistencia de un ladrillo, con plasticidad nula aunque esta misma con un contenido de agua mayor puede presentarse como un lodo semilíquido, o inclusive de una suspensión liquida. Atterberg hizo ver que era necesario de dos términos para expresar convenientemente la plasticidad, señalo esos parámetros y un modo tentativo, hoy perfeccionado. Según su contenido de agua en orden decreciente, un suelo susceptible de ser plástico puede estar en cualquiera de los siguientes estados: Estado líquido, con las propiedades y apariencia de una suspensión. Estado semilíquido, con las propiedades de un fluido viscoso. Estado plástico Estado semisólido, el suelo tiene la apariencia de un sólido pero aun disminuye s volumen con el secado. Estado sólido, en que el volumen del suelo no varía con el secado. La frontera convencional entre el estado semilíquido y plástico fue llamado por Atterberg limite líquido, nombre que hoy se conserva. La frontera convencional entre los estados plásticos y semisólido fue llamado por Atterberg limite plástico. A las fronteras anteriores, que definen el intervalo plástico del suelo se les ha llamado límites de plasticidad. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p.127-129) Limite líquido Cuando la plasticidad se convirtió en una propiedad índice fundamental, a partir de la utilización que Terzaghi y Casagrande hicieron de ella, la determinación de los límites de plasticidad se transformó en prueba de rutina en todos los laboratorios. Debido a ello nació la técnica basada en la copa de Casagrande, que es un recipiente de bronce o latón con un tacón solidario del mismo material, el tacón y la copa giran a un eje fijo unido a la base. Una excentricidad hace que la copa caiga periódicamente, golpeándose contra la base del dispositivo que es de hule duro o micarta 221. La caída de la copa es por especificación de 1 cm medido verticalmente desde el punto de la copa en su punto más alto. La copa es esférica, con radio interior de 54 mm espesor de 2mm y peso 200 +/- 20 g incluyendo el tacón. Sobre la copa se coloca el suelo y se procede a hacerle una ranura trapecial (formando un talud) con las siguientes dimensiones. pág. 39 A partir de extensas investigación sobre los resultados obtenidos por Atterberg con su método original ya descrito y usando determinaciones efectuadas por diferentes operados en varios laboratorios, se estableció que el limite liquido obtenido por medio de la copa de Casagrande corresponde al de Atterberg, si se define como el contenido de agua del suelo para que la ranura se cierre a lo largo de 1.27 cm (1/2”), con 25 golpes en la copa. De hecho el límite líquido se determina conociendo 3 o 4 contenidos de agua de agua diferentes en su vecindad, con los correspondientes números de golpes y trazando la curva Contenido de agua contra número de golpes. La ordenada de esa curva correspondiente a la abscisa de 25 golpes es el contenido de agua correspondiente al límite líquido. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p.129-133) Limite plástico La prueba para la determinación del límite plástico, tal como Atterberg la definió, no especificaba el diámetro a que debe llegarse al formar el cilindro del suelo. Terzaghi agregó la condición de que el diámetro sea de 3 mm (1/8”). La formación de los rollitos se hace usualmente sobre una hoja de papel totalmente seca para acelerar la perdida de humedad del material; también es frecuente utilizar una placa de vidrio. Cuando los rodillos llegan a 3 mm se doblan y presionan, formando una pastilla que se vuelve a rodar, hasta que en los 3 mm justos ocurra el desmoronamiento y el agrietamiento, en tal momento se determina su contenido de humedad que es el límite plástico. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p.133) 2 mm 8 m m 11 mm Figura 21. Dimensión de la ranura en la copa Casagrande pág. 40 3.5 Propiedades mecánicas de los suelos Se puede determinar la resistencia cortante no drenada (cohesión) bajo cargas estáticas, son varias las pruebas de laboratorio como lo son: Compresión uniaxial o consolidación unidimensional Compresión triaxial Extensión Cortante simple Cortante directo Cortante de torsión La prueba de compresión uniaxial es la de más uso y mejor comprendida, las pruebas triaxiales requieren de la aplicación de una presión confinante controlada (σ3) y de un esfuerzo axial (σ1). Las muestran pueden probarse en condiciones drenadas o no drenadas. La deformación de la mayoría de los suelos, bajo cargas pequeñas, es mucho mayor que la de los materiales estructurales, además esa deformación no se produce, usualmente, en forma simultánea a la aplicación de la carga, sino que se desarrolla con el transcurso del tiempo. Regularmente los asentamientos por cargas aplicadas en arcilla, su deformación debida a cambio volumétrico en los estratos de suelos subyacentes, es mucho más importante que la deformación debida a cambio de forma. La compresión o expansión (deformaciones por cambios de volúmenes) es el proceso por el cual la masa del suelo cambia de volumen pero mantiene su forma, la distancia entre un punto a otro cambia pero se mantiene su posición relativa. La distorsión o deformación desviadora es el proceso por el cual una masa e suelo cambia de forma, variando la posición relativa de sus puntos, pero manteniendo un volumen constante. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p. 245-246) pág. 41 Compresión uniaxial Ocurre que durante el proceso de consolidación, la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente la misma, de talforma el movimiento de las partículas de suelo puede ocurrir en una sola dirección vertical, esta es la consolidación uniaxial. Una prueba de compresión uniaxial estándar se realiza sobre una muestra labrada en forma cilíndrica, con una pequeña altura comparada con el diámetro de la sección recta. La muestra se coloca en el interior de un anillo, generalmente de bronce que proporciona un completo confinamiento lateral, el anillo se coloca entre dos piedras porosas, una en cada cara de la muestra, las piedras son de sección circulas ligeramente con un diámetro menor al anillo de bronce, el conjunto se coloca en la cazuela de un consolidómetro. Por medio de un marco de carga, se aplican cargas repartiéndolas uniformemente en toda su área de la muestra, un extensómetro apoyado en el marco de carga móvil ligado a la cazuela fija, permitiendo llevar un registro de las deformaciones del suelo. Lar cargas se aplican en incrementos, permitiendo que cada incremento obre por un tiempo suficiente para que la velocidad de deformación se reduzca prácticamente a cero. Los datos de estas lecturas se dibuja en una gráfica que tenga por abscisas los valores de tiempo en escala logarítmica, y como ordenadas su respectivas mediciones del extensómetro, estas curvas son llamadas de consolidación. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p. 247-251) SUELO PIEDRA POROSA CARGA PIEDRA POROSA Figura 22. Detalle de la colocación de la muestra en el consolidómetro de anillo fijo pág. 42 a) Representación aritmética b) Representación semilogarítmica Compresión triaxial Esta prueba es de las más usadas en cualquier laboratorio para determinar las características de esfuerzo-deformación y de resistencia de los suelos. Teóricamente se puede ejercer presiones en tres direcciones octogonales sobre una muestra de suelo, realizando mediciones sobre sus características mecánicas en forma completa. Las probetas de suelo usualmente cilíndricas están sujetas a cargas laterales de un líquido, generalmente agua, del cual se protege con una membrana impermeable. Para lograr el debido confinamiento, la muestra se coloca en el interior de una cámara cilíndrica y hermética, de Lucita, con bases metálicas. En las bases de la muestra se colocan piedras porosas, cuya comunicación con una bureta exterior puede establecer a voluntad con segmentos de tubo plástico. El agua puede adquirir cualquier presión deseada por la acción e un compresor comunicado con ella. La carga axial se transmite el espécimen por medio de un vástago que atraviesa la base superior de la cámara. Las pruebas triaxiales se pueden clasificar en dos tipos: pruebas de compresión y de extensión. Esc. log.(A) (B) B e e C p p A Figura 23. Figura típica de la curva de compresibilidad en suelos compresibles. pág. 43 Las de compresión son aquellas en las que la dimensión original axial de espécimen disminuye y las de extensión, aquellas en las que dicha dimensión se hace aumentar durante la prueba. Es usual llamar σ1, σ2, σ3 a los esfuerzos principales mayor, intermedio y mínimo, respectivamente. En una prueba de compresión, la presión axial siempre es el esfuerzo principal mayor σ1, los esfuerzos intermedios y menos son iguales (σ2= σ3) y quedan dados por la presión lateral. Por otro lado, la prueba de extensión la presión axial será el esfuerzo principal menor (σ3).El estado de esfuerzos en un instante dado se considera uniforme en toda la muestra y puede analizarse con la solución grafica de mohr, con σ1 y σ3 como los esfuerzos principales mayor y menor, respectivamente. La resistencia al esfuerzo cortante, sobre todo en suelos cohesivos, es variable y depende de diversos factores circunstanciales. Al intentar reproducir en laboratorio la condición en la que se encontrara el suelo en obra, será necesario tomar en cuenta cada uno de esos factores, tratando de reproducir las condiciones reales de ese caso particular. Las pruebas triaxiales pueden constituirse por dos etapas, la primera es aquella en que se aplica a la muestra a la presión de la cámara, durante ella se puede permitir o no el drenaje de la muestra abriendo o cerrando la válvula de salida de agua a través de la piedras porosas. En la segunda etapa la carga propiamente dicha, la muestra se sujeta a esfuerzo cortante, sometiéndola a esfuerzos principales que ya no son iguales entre sí. Esto requiere variar la presión que comunica el vástago, de acuerdo con alguna de las líneas de acción ya mencionadas (compresión o extensión). (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p. 382-386) Prueba lenta (CD) prueba consolidación y drenaje En primer lugar se aplica una presión de cámara (σc) y una presión intersticial (Uo) dejando que la muestre drene libremente, los incrementos tensionales aplicados de forma instantánea darán lugar a una cierta distribución inicial de tensiones efectivas e intersticiales, siguiendo el postulado de Terzaghi. Al permitir el drenaje, los excesos de presión intersticial generados se irán disipando paulatinamente en función de la permeabilidad del suelo, hasta alcanzar la consolidación completa. En ese momento la presión intersticial volverá a ser la de equilibrio (uo en este caso, impuesta por el sistema de presión de la válvula, que también permanece abierta) y las tensiones efectivas actuantes sobre el suelo resultarán: pág. 44 𝜎1 ′ = 𝜎𝑐 − 𝑢0 𝜎2 ′ = 𝜎𝑐 − 𝑢0 𝜎3 ′ = 𝜎𝑐 − 𝑢0 La reducción de volumen originada por el incremento isotopo de tensiones efectivas puede medirse en el sistema de control de drenaje. Así, partiendo de la muestra satura, el volumen de agua expulsado será igual a la disminución de volumen de la muestra. Una vez finalizada la consolidación puede dar comienzo la fase de corte. Para ello se mantiene invariables la presión de cámara y la presión intersticial de la fase anterior (válvulas a y b abiertas), y se imprime una velocidad ascendente a la célula impidiendo el desplazamiento vertical de la probeta por medio de un pistón. sc sc x b Valvula cerrada = a sc uo Valvula abierta uo == uo 1. Se aplica σ1=σ2=σ3=σc U=Uo 2. Se deja consolidar (ΔV<0) 3. Finalmente se alcanza σ’1= σ’2=σ’3=σ’c - Uo σc σc σc Figura 24. Fase 1 de un ensayo CD. (En Ingeniería Geológica p.85 por Luis I. González de Vallejo, 2004) pág. 45 Dado que el ensayo se realiza con drenaje se selecciona una velocidad lo suficientemente lenta para asegurar que los excesos de presión intersticial generados se van disipando de forma continua. Un ensaye completo se debe probar tres probetas de la misma forma, aplicando en ellas una presión de consolidación creciente. En cada una se alcanzan con una tensión vertical diferente. Por tanto en un diagrama (esfuerzo- resistencia al corte) se pondrán dibujar 3 círculos de mohr en tensiones efectivas. Así como en el ensayo de corte directo los puntos representativos de la rotura de cada muestra se encontraban alineados: ?s1 x Valvula cerrada Valvula abierta= = b uo uo scsc uo ?s1 = a σc σc Δσ1 Δσ1 1. Se mantienen σc, U0 sin variar 2. Se aumenta σ1, sin permitir acumulación de excesos de presión intersticial (Δσ1=Δσ’1) 3. Se mide Δσ1, Ɛv, ΔV En cada instante del ensayo: Δσ3=0 ,, Δu=0 Δσ’1=Δσ1-Δu= Δσ1 Δσ’3= Δσ3 - Δu=0 <0 Suelo contractante ΔV >0 Suelo dilatante Figura 25. Fase 2 de un ensayo CD. (En Ingeniería Geológica p.85 por Luis I. González de Vallejo, 2004) pág. 46 Los círculos tienen, aproximadamente, una tangente común, trazando la tangente común a los tres círculos se obtiene la envolvente de rotura en tensione efectivos, de la que resultan inmediato deducir los parámetros de resistencia al cortedel suelo (C’, Ø’).(Luis I. González de Vallejo, 2004, p. 85-86) Prueba (CU) con consolidación previa, rotura sin drenaje La primera fase de la prueba consiste en una consolidación bajo una tensión efectiva isótropa y es idéntica a la primera fase de la prueba CD. Una vez completa la consolidación, se cierra la válvula b de drenaje y de introducción de presión intersticial y se comienza la fase de corte imprimiendo un movimiento ascendente a la probeta al mismo tiempo que impide un desplazamiento vertical de la probeta por medio de un pistón. probeta 2 ? probeta 1 T probeta 3 Ø' C' Figura 26. Círculos de Mohr en rotura en ensayos CD. (En Ingeniería Geológica p.86 por Luis I. González de Vallejo, 2004) pág. 47 Valvula cerradax Valvula abierta ?s1 sc b uo = uo+?u = uo+?u ?s1 sc a = x Valvula cerrada Valvula abierta x uo ab scsc sc uo = uo= σc σc σc σc σc Δσ1 Δσ1 1. Se aplica σ1=σ2=σ3=σc U=Uo 2. Se deja consolidar (ΔV<0) 3. Finalmente se alcanza σ’1= σ’2=σ’3=σ’c - Uo 1. Se cierra la válvula b 2. Se mantienen constante σc, (Válvula c abierta) 3. Se aumenta σ1 4. Se mide Δσ1, Ɛv, ΔU En cada instante del ensayo: Δσ3=0 Δσ’1=Δσ1-Δu Δσ’3= Δσ3 - Δu= -Δu >0 Suelo contractante ΔV <0 Suelo dilatante Figura 27. Fases de un ensayo CU. (En Ingeniería Geológica p.86 por Luis I. González de Vallejo, 2004) pág. 48 En todo el proceso se mide el incremento de presión intersticial en la muestra (Δu) y el acortamiento axial producido (Ɛv) En las pruebas triaxiales CU es habitual representar las curvas (σ’1 – σ3, Ɛv) y (Δu, Ɛv) a lo largo del ensayo. Cuando se alcance la rotura se habrá introducido un incremento tensional vertical total (Δσ1)f. Como se conoce la presión intersticial en ese momento (uf =u0 +Δu0), se puede determinar fácilmente las tensiones efectivas en el momento de la rotura y dibujar el circulo de mohr correspondiente. Como se ha descrito, en la fase de corte del ensayo CU la Válvula de drenaje permanece cerrada. En consecuencia, si la muestra se encuentra saturada, como es habitual en este ensayo, al impedir que el agua entre o salga de la probeta el volumen de la misma permanece constante durante toda la fase de corte. En caso de que el suelo tenga un comportamiento de contracción, tiene a reducir su volumen al someterse a una carga, esta tendencia se verá reflejada en un aumento de la presión intersticial (Δu>0) durante la prueba. Debido que el suelo reduzca su volumen es necesario expulsar el agua, y por lo tanto que la presión intersticial se eleve de forma transitoria, suficiente para expulsar el agua. Por lo tanto, si no se permite la salida del agua de los poros, el incremento de presión intersticial no se podrá disipar y se irá cumulando y aumentado a medida que prosiga el aumento de las tensiones de corte. Si el suelo tiene un comportamiento delatante, esto es, si tiende a aumentar su volumen cuando es sometido a una carga, esta tendencia se verá reflejada en una disminución de la presión intersticial (Δu<0). (Luis I. González de Vallejo, 2004, p. 86-87) Prueba (UU) sin consolidación previa, rotura sin drenaje Este ensayo tiene la particularidad de que la válvula de drenaje y de introducción de presión intersticial (b) permanece siempre cerrada. En la primera fase se aplica simplemente una presión isotropía (σ1 = σ2 = σc) impidiendo el drenaje. Si la probeta está saturada, en ausencia del drenaje toda la tensión total isótropa de cámara se transmite al líquido intersticial, y por, y por lo tanto las tensiones efectivas en el suelo no varían. Por ello, aunque se ensaye tres probetas y se aplique tres tensiones de cámara distintas, las tensiones efectivas son las mismas en las tres probetas. Se representa los tres círculos de Mohr en rotura que se obtiene de las tres probetas ensayadas. Están expresadas en tensiones totales (las únicas que se miden), pág. 49 La utilidad de este ensayo radica en su rapidez y sencillez. Obviamente no permite determinar los parámetros de resistencia al corte efectivo (c’ y Ø’), dado que ni siquiera se mide la presión intersticial durante su ensayo. Sin embargo, proporciona la máxima tensión tangencial disponible en el suelo para un estado inicial de tensiones efectivas, de manera que si se supone que las muestras extraídas son representativas del suelo in situ y que durante su obtención no se alteran las condiciones iniciales, la ejecución de este tipo de ensayo permite determinar de forma aproximada la máxima tensión de corte disponible frente a procesos de carga en los que se puedan suponer condiciones sin drenaje. (Luis I. González de Vallejo, 2004, p. 87-88) Ø'=0 probeta 1 probeta 3probeta 2 T C' Δσ3 Δσ1 Figura 28. Círculos de Mohr en rotura en un ensayo UU. (En Ingeniería Geológica p.88 por Luis I. González de Vallejo, 2004) pág. 50 CARACTERI STICAS ESTRATIGRAFICAS Y FI SICAS DEL SUBSUELO pág. 51 El predio de interés se localiza en el poniente del Área Urbana del Valle de México, en la zona de transición Progresiva, según la regionalización hecha por Del Castillo, donde superficialmente se tienen suelos arcillosos o limosos, con contenido de agua bajo, de consistencia blanda. Superficialmente y subyaciendo a los materiales de relleno se tienen suelos arcillosos y limosos, de color café oscuro, con contenido de agua bajo, de consistencia blanda, a su vez, bajo estos materiales se detectó a partir de 17.50 m de profundidad se tienen los materiales resistentes característicos de la formación Tarango (tobas de color café claro). De acuerdo con la zonificación geotécnica de la ciudad de México el predio en estudio se localiza en la denominada Zona de Transición (ver figura), que se caracteriza por depósitos de limo y arcilla de resistencia variable entre blanda y media y estratos de arena de compacidad media a alta. La secuencia estratigráfica general de los depósitos del subsuelo es la siguiente: P r o f u n d i d a d (m) D e s c r i p c i ó n 0.00 – 0.60 Material de relleno constituido por limos arcillo arenosos, café oscuro, con fragmentos de tabique y desperdicio de construcción hasta ¾” de diámetro, con contenido de agua medio de 17%, de consistencia a la penetración estándar de 12 golpes. 0.60 – 2.40 Arcillas arenosas, café claro, con gravas aisladas de ¾” de diámetro, con contenido de agua medio de 22%, de consistencia variable de firme a muy firme, índice de resistencia a la penetración estándar variable de 12 a 24 golpes. pág. 52 2.40 – 17.50 Capas interestratificadas constituidas por arcillas arenosas, arcillas poco arenosas con gravas de hasta 1” café oscuro y arcillas limo arenosas con vetas de arena fina pumítica y raíces fósiles, con contenido de agua variable de 15 a 211%, de consistencia de blanda a media, índice variable de resistencia a la penetración estándar de 3 a más de 50 golpes. 17.50 – 22.10 Limo arenoso poco arcilloso, con gravas, café claro, con contenido de agua variable de 17 a 143%, de consistencia dura, índice medio de resistencia a la penetración estándar mayor de 50 golpes. La secuencia estratigráfica se observa en la figura 15, el nivel freático se registró en la fecha en que se realizó la exploración a – 6.50 m de profundidad, sin embargo, se debe tener presente la posible existencia de mantos colgados por las lentes de arenas existentes en estas zonas. Considerando las características de rigidez de la cimentación que más adelante se define, la deformabilidad de los materiales del subsuelo y la presión de contacto aplicada a los materiales de apoyo por la cimentación, el módulo de reacción del suelodeberá considerarse de 2.0 kg/cm3 De acuerdo a las características estratigráficas de los depósitos del subsuelo y a la zonificación geotécnica de la Ciudad de México el predio de interés se encuentra en la zona II, a la que corresponde un coeficiente sísmico de 0.32. pág. 53 Sitio de interés Figura 29. Zonificación Geotécnica del Valle de México pág. 54 4.1 Correlaciones con la prueba de penetración estándar La utilidad e importancia mayor de la prueba de penetración estándar radican en las correlaciones realizadas en campo y en el laboratorio en diversos suelos, sobre todo en arenas, que permiten relacionar aproximadamente la compacidad, el ángulo de fricción interna (Ø), en arenas y el valor a la resistencia a la compresión simple (qu), en arcillas, con el número de golpes necesarios en ese suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los 30 cm especificados. Para obtener estas relaciones basta realizar la prueba estándar en estratos accesibles o de los que se puedan obtener muestras inalteradas confiables y a los que se les puedan determinar los valores de los conceptos señalados por los métodos usuales de laboratorio. Haciendo suficiente número de comparaciones puede obtenerse correlaciones estadísticas dignas de confianza. En la práctica esto se ha logrado en los suelos friccionantes, para los que existen tablas y graficas dignas de crédito y aplicables al trabajo práctico; en el caso de suelos arcillosos plásticos las correlaciones de la prueba estándar con qu son mucho menos dignas de crédito. Figura 30. Correlación entre el número de golpes para 30 cm de penetración estándar y el ángulo de fricción interna de las arenas. (En Mecánica de suelos, tomo 1, p. 622, por Juárez Badillo y Rico Rodríguez, 1975) pág. 55 En la figura 30 aparece una correlación que ha sido muy usada para arenas y suelos predominantemente friccionantes. En la gráfica se observa que al aumentar el número de golpes se tiene mayor compacidad relativa en la arena y consecuentemente mayor ángulo de fricción interna. También se ve como que en arenas limpias, medianas o gruesas para el mismo número de golpes, se tiene un valor de Ø mayor que en arenas limpias finas y en arenas limosas. En la figura 31 se presenta resultados experimentales que demuestran que aun número de golpes en la prueba de penetración estándar corresponde a diferentes compacidades relativas, según sea la presión efectiva vertical que actúa sobre la arena, la cual a su vez, es función a la profundidad que se haga la prueba. Figura 31. Relación entre la penetración estándar, la presión vertical y la compacidad relativa para arenas. (En Mecánica de suelos, tomo 1, p. 622, por Juárez Badillo y Rico Rodríguez, 1975) pág. 56 Para pruebas en arcillas, tezaghi y peck dan la correlación que se presenta en la tabla anterior. Puede observarse que, prácticamente, el valor de qu, en kg/cm 2 se obtiene dividiendo entre 8 el número de golpes. Sin embargo cabe mencionar que las correlaciones de la tabla anterior sólo deben usarse como norma tosca de criterio, pues los resultados prácticos han demostrado que pueden existir serias dispersiones y, por lo tanto, las resistencias obtenidas por este procedimiento no deben servir para base de proyecto. (Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez, 1975, p. 621-623) Tabla 2. Correlación para arcillas y arenas Tabla 3. Correlaciones entre el número de golpes para 30 cm de penetración estándar y para arcillas. (En Mecánica de suelos, tomo 1, p. 623, por Juárez Badillo y Rico Rodríguez, 1975) pág. 57 ANA LISIS DE CIMENTACIO N pág. 58 5.1 ANÁLISIS DE CARGAS A continuación se presentan los resultados de los análisis efectuados para la alternativa de cimentación compensada. Tomando en cuenta las siguientes consideraciones: Área de estacionamiento= 1 Ton/m2/nivel Área de escaleras y pasillos= 1 Ton/m2/nivel Área habitacional= 1.1 Ton/m2/nivel Cimentación (cajón)= 2 Ton/m2/nivel Concepto Area (m2) Peso (ton/m2/nivel) W (Ton) area de escaleras 25.06 1.00 25.06 elevador 3.74 1.00 3.74 vacios 248.27 0.00 0.00 Area deptos 265.51 1.10 292.06 Total 542.57 4Wtotal= 320.86 nivel +12.6 Concepto Area (m2) Peso (ton/m2/nivel) W (Ton) area de escaleras 18.90 1.00 18.90 elevador 3.74 1.00 3.74 vacios 115.70 0.00 0 Area deptos 404.23 1.10 444.6574 Total 542.57 3Wtotal= 467.29 nivel +9.00 pág. 59 Concepto Area (m2) Peso (ton/m2/nive l) W (Ton) area de escaleras 23.53 1.00 23.53 elevador 3.74 1.00 3.74 vacios 115.70 0.00 0.00 Area deptos 399.60 1.10 439.56 Total 542.57 2Wtotal= 466.83 nivel +5.40 Concepto Area (m2) Peso (ton/m2/nivel) W (Ton) area de escaleras 25.32 1.00 25.32 elevador 3.74 1.00 3.74 vacios 107.96 0.00 0.00 Area deptos 405.55 1.10 446.11 Total 542.57 1Wtotal= 475.17 nivel +1.80 Concepto Area (m2) Peso (ton/m2/nivel) W (Ton) area de escaleras 39.91 1.00 39.91 elevador 3.74 1.00 3.74 vacios 60.11 0.00 0 jardinera 144.92 0.50 72.46 Area deptos 293.89 1.10 323.28 Total 542.57 PBWtotal= 439.39 nivel -1.80 pág. 60 Considerando el peso de la estructura y cimentación obtenemos un valor total ∑ 𝑄 = 3,805.16 𝑇𝑜𝑛 Concepto Area (m2) Peso (ton/m2/nive l) W (Ton) area de escaleras 39.91 1.00 39.91 elevador 3.74 1.00 3.74 bodegas 66.21 1.00 66.21 Total 542.57 SotWtotal= 109.86 nivel -4.50 Concepto Area (m2) Peso (ton/m2/nivel) W (Ton) tinaco 4 tinacos 1100 litros 4.4 2,826.36 Ton Azotea TOTAL= Concepto Vol (m3) Peso especifico (ton/m3) W (Ton) plancha de concreto de .82 espesor 444.9074 2.2 978.80 Cimentación pág. 61 ACCIONES 𝑊𝑚𝑎𝑥 = 3,805.16 𝑇𝑜𝑛 𝑊𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒𝑎 = 0.95 ∗ 3,805.16 𝑇𝑜𝑛 = 3,614.90 𝑇𝑜𝑛 𝑊𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 0.90 ∗ 3,805.16 𝑇𝑜𝑛 = 3,424.64 𝑇𝑜𝑛 Considerando la profundidad de desplante del proyecto igual a -7.62 m se tiene una presión neta 𝑃𝑁 = 𝑊𝐸𝑋𝐶 = 7.62 ∗ 1.5 = 11.49 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝑃𝑁𝑀𝐸𝐷𝐼𝐴 = 7.01 − 11.49 = −4.48 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 Se tiene una sobrecompensación mayor a -1.5 Ton/m2 el cual es el parámetro máximo que permite el RCDF, por lo que la diferencia se tomara con pilotes de fricción. 5.2 CAPACIDAD DE CARGA POR FRICCIÓN La capacidad a la que puede trabajar los pilotes de fricción se obtendrá utilizando los parámetros de adherencia propuestos por Tomlinson en base a la resistencia a la compresión simple de la arcilla blanda. Dónde: FR: Factor de resistencia igual a 0.70. As: Área de lateral a lo largo de la pila. fs: Fricción lateral unitaria, en t/m2 (la cual se obtendrá usando los valores propuestos por tomlinson) pág. 62 Para obtener el valor de qu se empleara la siguiente expresión 𝐶 = 𝑞𝑢 2 𝑞𝑢 = 𝐶 ∗ 2 Dónde: C= cohesión del estrato (Ton/m2) qu= resistencia a la compresión simple (Ton/m2) El proyecto contempla un desplante de cajón a -7.62m por lo tanto se presenta la siguiente tabla la cual contiene el número de estrato como su espesor, clasificación y su respectivo valor de adherencia en la cual el pilote va actuar. Se presenta la tabla en la cual se proponen los siguientes diámetros con diferentes profundidades para obtener sus respectivas áreas ACERO Más de 30 0.0 – 7.5 7.5 – 15 15 - 30 Más de 30 3.5 – 5.0 5.0 - 6.5 6.5 MATERIAL DEL PILOTE CONCRETO Y MADERA 0.0 – 3.5 3.5 – 5.0 5.0 - 6.0 6 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE, qu, t/m 2 0.00 – 7.5 7.5 - 15 15 – 30 ADHERENCIA ULTIMA PILOTE- ARCILLA t/m 2 0.0 – 3.5 N° espesor estrato peso fi c qu Fs 6 0.98 Cms 1.45 0 3 6 2.80 7 2.4 Cms 1.5 10 12 24 5.90 8 3 Cs 1.68 0 3.6 7.2 3.36 9 0.8 C 1.2 0 5 10 4.00 10 3 Cms 1.5 10 12 24 5.90 11 4.2 Cms 1.5 10 31 62 6.50 Tabla 2. Correlaciones entre la resistencia a la compresión simple y laadherencia ultima pilote-arcilla por Tomlinson pág. 63 Tomando un factor de seguridad igual a 0.7 obtenido de NTC-cimentaciones para pilotes de fricción, multiplicando cada área por el valor de adherencia de cada estrato obtenemos los siguientes valores de capacidad de carga La distancia que hay entre la profundidad de desplante y el estrato duro es de 10 metros considerando un colchón de 4 metros para dar un margen de seguridad por asentamientos y hundimiento regional, la longitud lateral adecuada es de 6 metros con 0.5 m de lado, la cual nos da una capacidad de 35.99 Ton/m2, para contrarrestar el sobre-compensación provocado por la excavación. 𝑃𝑁𝑀𝐸𝐷𝐼𝐴 = 7.01 − 11.49 = −4.48 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝑃𝑁𝑀𝐸𝐷𝐼𝐴 = 4.48 − 1.5 = 2.98 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 Vamos a contrarrestar 2.98 Ton/m2 con pilotes de fricción 𝑊 = 2.98 ∗ 542.57 = 1616.86 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 4 4.8 5.6 6.4 7.2 8 8.8 9.6 4.5 5.4 6.3 7.2 8.1 9 9.9 10.8 5 6 7 8 9 10 11 12 5.5 6.6 7.7 8.8 9.9 11 12.1 13.2 6 7.2 8.4 9.6 10.8 12 13.2 14.4 6.5 7.8 9.1 10.4 11.7 13 14.3 15.6 7 8.4 9.8 11.2 12.6 14 15.4 16.8 7.5 9 10.5 12 13.5 15 16.5 18 8 9.6 11.2 12.8 14.4 16 17.6 19.2 8.5 10.2 11.9 13.6 15.3 17 18.7 20.4 ancho (metros) Largo (metros) 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 4 15.95 18.61 21.27 23.92 26.58 29.24 31.90 4.5 17.36 20.25 23.15 26.04 28.93 31.83 34.72 5 18.77 21.90 25.03 28.16 31.29 34.41 37.54 5.5 20.18 23.55 26.91 30.27 33.64 37.00 40.37 6 21.59 25.19 28.79 32.39 35.99 39.59 43.19 6.5 23.07 26.91 30.76 34.60 38.45 42.29 46.14 7 24.75 28.87 33.00 37.12 41.25 45.37 49.50 7.5 26.94 31.43 35.92 40.41 44.90 49.39 53.88 8 29.42 34.32 39.22 44.13 49.03 53.93 58.84 8.5 31.90 37.21 42.53 47.84 53.16 58.48 63.79 Largo ancho pág. 64 #𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑒𝑠 = 𝑊𝑒𝑥𝑐𝑎𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑒 #𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑒𝑠 = 1616.86 35.99 ≈ 45 5.3 CAPACIDAD DE CARGA La losa de cimentación se desplantara en un material arcilla poco limo arenoso el cual tiene baja resistencia, alta comprensibilidad., con una cohesión de 3.00 Ton/m2, peso volumétrico de 1.50 obtenidos de los resultados de las pruebas triaxiales no consolidadas- no drenadas UU realizadas en las muestras cúbicas obtenidas Ton/m3. 𝑄𝐴𝐷𝑀 = 𝐶 ∗ 𝑁𝐶 ∗ 𝐹𝑅 + 𝑃𝑈 𝑁𝐶 = 5.14(1 + 0.25 𝐷𝐹 𝐵 + 0.25 𝐵 𝐿 ) 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝐷𝐹 𝐵 < 2 𝑌 𝐵 𝐿 < 1 Df= 7.62 B= 22.07 L= 23.66 𝑁𝐶 = 5.14(1 + 0.25 7.62 22.07 + 0.25 22.07 23.66 ) 𝑁𝐶 = 6.78 𝐶 = 3.0 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝐹𝑅 = 0.7 𝑃𝑈 = 𝛾 ∗ 𝐻1 + 𝛾´ ∗ 𝐻2 𝑃𝑈 = (1.6 ∗ 0.6) + (1.5 ∗ 5.9) + ((1.5 − 1.0) ∗ 1.12) = 10.37 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝑄𝐴𝐷𝑀 = 3 ∗ 6.78 ∗ 0.7 + 10.37 𝑄𝐴𝐷𝑀 = 24.61 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 pág. 65 𝑄𝐴𝐷𝑀 ≈ 25.00 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 Las acciones que deben considerarse en los análisis de la cimentación son las siguientes: PRESIONES EJERCIDAD 𝑃𝑁𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 3,805.16 𝑇𝑜𝑛 ∗ 1.4 − 813.85 𝑇𝑜𝑛 542.57 = 8.32 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝑃𝑁𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒𝑎 = 3,424.64 𝑇𝑜𝑛 ∗ 1.1 − 813.85 𝑇𝑜𝑛 542.57 = 5.83 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝑃𝑁𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 3,424.64 𝑇𝑜𝑛 ∗ 1.0 − 813.85 𝑇𝑜𝑛 542.57 = 4.81 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 5.4 ESTADO LÍMITE DE FALLA EN CONDICIONES ESTÁTICAS La revisión de la estabilidad de la cimentación ante el estado límite de falla en condiciones estáticas, se hizo considerando la combinación de cargas permanentes más cargas vivas con intensidad máxima, más el peso de la cimentación afectada por un factor de carga de 1.4, cumpliendo la desigualdad: ∑ 𝑄 𝐹𝐶 < 𝑅 𝐹𝑅 Dónde: ΣQ: suma de las acciones verticales debidas a la combinación de cargas permanentes más cargas vivas con intensidad máxima, más el peso de la cimentación en ton. Fc: factor de carga, adimensional e igual a 1.4 R: capacidad de carga de los materiales de apoyo de la cimentación, que es función del tipo de cimentación empleada. FR: factor de resistencia, adimensional e igual a 0.70 pág. 66 8.32 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 < 25.00 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 La presión máxima ejercida por la estructura es menor a la capacidad de carga del estrato de desplante por lo que es seguro ante el estado límite de falla en condiciones estáticas. 5.5 ESTADO LÍMITE DE FALLA EN CONDICIONES DINÁMICAS La revisión de la cimentación ante el estado límite de falla en condiciones dinámicas se realizó de acuerdo al criterio establecido en los comentarios de las Normas de Emergencia del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal del Subcomité de Normas. 𝑊𝑇 ∗ 𝐹𝐶 − 𝑊𝐶 < 𝐹𝑅 ∗ 𝐴𝑅 ∗ 𝑞1(1 − 0.12 ∗ 𝐹𝐶 ∗ 𝑎0 ∗ 𝑏 ∗ 𝛾 𝐹𝑅 ∗ 𝐶 ∗ 𝑔 ) Wt: Carga total de la estructura en la condición analizada. Fc: Factor de carga, adimensional e igual a 1.1 Wc: Peso del suelo desplazado para la construcción de la cimentación, en ton. 𝑊𝑇𝐹𝐶 = 3614.90 ∗ 1.1 = 3976.39 𝑇𝑜𝑛 𝑊𝑐 = 813.86 𝑇𝑜𝑛 FR: Factor de resistencia adimensional e igual a 0.7 AR: Área reducida del cajón de cimentación, para tomar en cuenta el momento de volteo debido a sismo, igual a: 𝐴𝑅 = (𝐵 − 2𝑒)𝐿 Siendo: B: Ancho del cajón de cimentación. L: Largo del cajón de cimentación e: Excentricidad dada por: pág. 67 𝑒 = 𝑀𝑆 𝑊𝑇 Dónde: Wt: peso de la estructura en la condición analizada, en ton. Ms: momento de volteo debido a sismo, obtenido en forma aproximada con el siguiente procedimiento: 𝑀𝑆 = 0.8 ( 2 3 ) ∗ 𝐻𝑇 ∗ 𝑊𝑇( 𝐶𝑆 𝑄 ) Siendo: HT: Altura total de la estructura, medida a partir del desplante. Cs: Coeficiente de diseño sísmico, igual a 0.40 Q: Factor de comportamiento sísmico (ductilidad). q1: Capacidad de carga neta del suelo de apoyo de la cimentación, obtenida con la siguiente formula: 𝑞1 = 𝐶𝑁𝐶 Considerando que nuestro proyecto se desplanta en zona de Lago centro II se tomaran las siguientes consideraciones Q= el factor de comportamiento sísmico (ductilidad)= 2 Cs= coeficiente sísmico = 0.32 Ht =24.19 m MOMENTO DE VOLTEO 𝑀𝑆 = 0.8 ( 2 3 ) ∗ 24.19 ∗ 3162.54 ( 0.32 2.0 ) 𝑀𝑆 = 6528.15 𝑇𝑜𝑛 ∙ 𝑚 pág. 68 EXCENTRICIDAD 𝑒 = 6528.15 3162.54 = 1.64 ÁREA REDUCIDA 𝐴𝑅 = (22.07 − 2 ∗ 1.64)23.66 𝐴𝑅 = 18.79 ∗ 23.66 = 444.49 𝑚2 CAPACIDAD DE CARGA NETA 𝑞1 = 3 ∗ 6.78 = 20.35 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 ACELERACIÓN HORIZONTAL MÁXIMA 𝑎0 = 𝐶𝑆 ∗ 𝑔 𝑄 ao: Aceleración horizontal máxima del terreno 𝑎0 = 0.32 ∗ 981 2.0 = 156.96 𝑐𝑚 𝑠𝑒𝑔2 = 1.57 𝑚 𝑠𝑒𝑔2 𝑏 = 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑑; 1.2 𝐻; 20 𝑚 (B-2e) 1.2*H 18.79 21.6 20 𝛾 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜= ∑(𝛾𝑖∗ℎ𝑖) 𝐻𝑡 pág. 69 ϒ H ϒ*H 1.6 0.6 0.96 1.5 6.7 10.05 1.5 1.2 1.8 1.5 2.4 3.6 1.5 3.2 4.8 1.5 0.8 1.2 1.5 3.87 5.805 18.77 28.215 Promedió= 1.50 REVISIÓN DE LA CIMENTACIÓN ANTE EL ESTADO LÍMITE DE FALLA DINÁMICO 3976.39 − 813.86 < 0.7 ∗ 444.49 ∗ 20.35(1 − 0.12 ∗ 1.1 ∗ 1.57 ∗ 18.79 ∗ 1.5 0.7 ∗ 3 ∗ 9.81 ) 3162.54 < 5966.19 La desigualdad antes mencionada se satisface para la estructura analizada, por lo tanto, la cimentación es estable en condiciones dinámicas. 5.6 ESFUERZOS MÁXIMOS De igual manera se revisó que bajo condiciones dinámicas el incremento de esfuerzos aplicado por la losa de cimentación que es producido por el momento de volteo debido al sismo, no rebase la capacidad de carga admisible por cortante de los materiales de apoyo de la losa de cimentación, para asegurar que las deformaciones del suelo bajo el esfuerzo resultante por sismo se mantenga dentro del rango elástico del comportamiento de material en otras palabras que no rebase la capacidad de carga ultima y que no existan tensiones ya que sabemos que el suelo no resiste estos esfuerzos, produciéndose por lo tanto deformaciones plásticas permanentes por efecto de los incremento de esfuerzo aplicados al suelo por la losa de cimentación durante el sismo. pág. 70 Se determinaron los esfuerzos máximos que en condiciones dinámicasaplicarán las losas de cimentación empleando la fórmula de la escuadría dada por la siguiente expresión: 𝑃 = 𝑄 𝐴 ± 𝑀𝑠 𝐼𝑋 𝑌 ± 0.3 𝑀𝑠 𝐼𝑌 𝑋 Dónde: 𝐼𝑋 = 𝑏 ∗ 𝐻3 12 𝐼𝑋 = 23.66 ∗ 22.073 12 = 21,195.35 𝑚4 𝐼𝑦 = 𝐻 ∗ 𝑏3 12 𝐼𝑦 = 22.07 ∗ 23.663 12 = 24,359.33 𝑚4 𝑃 = 5.83 + 6528.15 21,195.35 11.035 + 0.3 6528.15 24,359.33 11.83 𝑃 = 10.36 Ton/m2 𝑃 = 5.83 − 6528.15 21,195.35 11.035 − 0.3 6528.15 24,359.33 11.83 𝑃 = 1.30 Ton/m2 Se obtuvo un esfuerzo máximo aplicado por la losa de cimentación bajo condiciones de sismo de 10.36 ton/m2 que es menor al esfuerzo correspondiente a la capacidad de carga última del suelo de apoyo, que es de 18.0 ton/m2, por lo tanto, no se presentarán deformaciones plásticas permanentes; y un esfuerzo mínimo de 1.30 ton/m2, mayor a cero, por lo que no se presentarán tensiones. pág. 71 5.7 ESTADO LÍMITE DE SERVICIO EXPANSIONES ELÁSTICAS Los movimientos verticales que sufra la estructura respecto al terreno circundante se deberán a las recuperaciones de las expansiones elásticas producidas durante la construcción de la cimentación y los hundimientos debidos a la consolidación de los depósitos arcillosos, producidos por el incremento de presión neta transmitida al subsuelo, por ser una cimentación parcialmente compensada. 𝛿 = 𝑞𝐵 𝐸 ((1 − 𝜇2)𝐹1 + (1 − 𝜇 − 2𝜇 2)𝐹2) 𝑃𝑁𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 𝑞 = 4.81 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝐵 = 22.07 𝑚 𝐿 = 23.66 𝑚 A continuación se presenta el diagrama que muestra los parámetros que fueron utilizas para el cálculo de asentamiento elástico. Figura 32. Profundidad “Z” a partir del nivel de desplante de la losa de cimentación pág. 72 ∆𝐻𝐸𝐴 = 4(0.0158 − 0.0094) ∆𝐻𝐸𝐴 = 0.0254 𝑚 ∆𝐻𝐸𝐴 = 2.54 𝑐𝑚 Z L/B Z/B F1 F2 E U Hea -Hea 1.08 1.0720 0.0489 0.01 0.001 550 0.5 0.0014 0.0014 3.48 1.0720 0.1577 0.01 0.02 550 0.5 0.0014 0.0012 6.48 1.0720 0.2936 0.01 0.055 650 0.5 0.0012 0.0012 7.28 1.0720 0.3299 0.02 0.06 650 0.5 0.0025 0.0025 10.28 1.0720 0.4658 0.025 0.07 650 0.5 0.0031 0.0031 14.48 1.0720 0.6561 0.05 0.07 650 0.5 0.0061 ∑= 0.0158 0.0094 Figura 33. Geometría al centro del cajón de cimentación pág. 73 ∆𝐻𝐸𝐵 = 0.0248 − 0.0148 ∆𝐻𝐸𝐵 = 0.0100 𝑚 ∆𝐻𝐸𝐵 = 1.003 𝑐𝑚 Los límites máximos para movimientos verticales y deformaciones originados en la cimentación en zona II, se indica en las normas técnicas complementarias para diseño y construcción de cimentaciones Tabla 3.1 que deben ser menores a 15 cm por lo que la cimentación es aceptable bajo el estado límite de servicio. Z L/B Z/B F1 F2 E U Hea -Hea 1.08 1.0720 0.0979 0.01 0.01 550 0.5 0.0007 0.0007 3.48 1.0720 0.3154 0.02 0.055 550 0.5 0.0014 0.0012 6.48 1.0720 0.5872 0.05 0.08 650 0.5 0.0031 0.0031 7.28 1.0720 0.6597 0.05 0.08 650 0.5 0.0031 0.0031 10.28 1.0720 0.9316 0.11 0.09 650 0.5 0.0067 0.0067 14.48 1.0720 1.3122 0.16 0.08 650 0.5 0.0098 ∑= 0.0248 0.0148 Figura 34. Geometría a la esquina del cajón de cimentación pág. 74 5.8 EMPUJE SOBRE MUROS RÍGIDOS PERIMETRALES DEL SÓTANO Tomando en cuenta las características estratigráficas y físicas de los materiales del subsuelo, así como las del proyecto, la determinación de los empujes a lo largo del tiempo sobre los muros perimetrales del cajón de cimentación se realizó siguiendo las recomendaciones establecidas en las NTC-cimentaciones de la ciudad de México, bajo la condición de empuje de suelo en reposo considerando: La presión se obtiene como el producto acumulado del peso volumétrico total y peso sumergido, por lo espesores en los que se considera el mismo valor , afectados por K0 (para este proyecto se usó 0.5 por tratarse de una arcilla) La acción de una sobre carga uniformemente repartida, actuando en un área contigua al muro. Empuje hidrostático, obtenido como el producto del peso volumétrico del agua por la altura de NAF medida a partir de la profundidad de desplante. Tomar en cuenta las solicitaciones sísmicas, se determinó una componente horizontal expresada como el producto del peso de la masa del suelo potencialmente deslizante por un coeficiente sísmico de 0.32 (zona de transición) El empuje total sobre los muros está compuesto por la suma de empuje debido al suelo, empuje debido al agua, empuje debido al sismo y empuje debido a una sobrecarga pág. 75 Figura 35. Empuje sobre muro rígido pág. 76 5.9 FALLA DE FONDO Se revisó la estabilidad de la excavación contra falla de fondo por cortante, lo que se realizó mediante el cumplimiento de la siguiente desigualdad. 𝑃𝑉 ∗ 𝐹𝐶 + 𝑞 ∗ 𝐹 ′ 𝐶 < 𝐶𝑁𝐶 ∗ 𝐹𝑅 𝑃𝑉 = 𝛾 ∗ ℎ 𝑃𝑣 = (1.6 ∗ 0.6) + (1.5 ∗ 5.9) + ((1.5 − 1.0) ∗ 1.12) 𝑃𝑉 = 10.37 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝑞 = 5.0 𝑇𝑜𝑛/𝑚2 𝐶 = 3.0 𝑇𝑂𝑁/𝑀2 𝑁𝐶 = 6.78 𝐹𝐶 = 1.4 𝐹′𝐶 = 1.0 𝐹𝑅 = 0.8 10.37 ∗ 1.4 + 5.0 ∗ 1 < 3 ∗ 6.78 ∗ 0.8 19.518 < 16.272 Debido a que no se satisface la desigualdad y para evitar que se presente la falla de fondo de la excavación, el proceso de excavación se realizará con una estructura de contención troquelada, constituida por tablestaca prefabricada e hincada o muro Milán. pág. 77 5.10 ESTABILIDAD DE TALUDES Como ya se ha sido indicado, los materiales existentes hasta la máxima profundidad de excavación son en mayor parte cohesivos, con pocos estratos cohesivos-friccionantes. Se revisara la estabilidad del talud para dos tipos de fallas las cuales son: • Falla por rotación • Falla por deslizamiento Para el talud mostrado en la figura 36 se muestran los factores de seguridad encontrados, considerando una excavación a talud vertical sin condiciones retenidas y confinadas. Para obtener los parámetros mecánicos del suelo donde se hará la excavación se obtuvieron del perfil estratigráfico con su respectivo número de golpes. O de existir pruebas de laboratorio en el estrato se obtendrán los parámetros mecánicos de pruebas triaxiales con base a la teoría de morh. La excavación contempla una profundidad de -7.62 metros con respecto al nivel de banqueta, en la cual encontramos 5 estratos, el primero compuesto por una arcilla poco arenosa con cascajo, materia orgánica tiene una cohesión de 3 ton/m2 y una ángulo de fricción interna de cero, seguido por una arcilla limo-arenosa la cual tiene una cohesión de 6 ton/m2 y Ø igual a 10°, luego una arena poco limosa con una cohesión de 2ton/m2 y Ø igual a 28°, un estrato arcilla poco limo-arenosa con una cohesión de 3.5ton/m2 y Ø igual a 0, prosigue un estrato arcilla poco arenoso con una cohesión de 6.8ton/m2 y Ø igual a 0. pág. 78 Figura 36. Condición analizada con talud vertical Figura 37. Análisis estático hacia colindancia norte. F.S=0.865 < 1.5 por lo tanto el talud vertical NO ES ESTABLE 0.8650.865 W W 49.05 kN/m2 19.62 kN/m2 0.8650.865 Safety Factor 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000+ 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 pág. 79 Figura 38. Análisis dinámico hacia colindancia norte. F.S=0.738 < 1.3 por lo tanto el talud vertical NO ES ESTABLE Figura 39. Análisis estático hacia colindancia sur, oriente y poniente. F.S=1.165 < 1.5 por lo tanto el talud vertical NO ES ESTABLE 0.7380.738 W W 49.05 kN/m2 19.62 kN/m2 0.7380.738 0.32 Safety Factor 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000+ 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 1.1651.165 W W 49.05 kN/m2 19.62 kN/m2 1.1651.165 Safety Factor 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000+ 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 pág. 80 Figura 40. Análisis dinámico hacia colindancia
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