CIMENTACIONES_SUELOS_EXPAN[1]

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIADEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 1 1.00 Generalidades El problema de los denominados suelos expansivos alcanza décadas atrás, siendo reconocido al final de la década del 30. La presencia en el Perú de "Suelos Expansivos" es evidente en la zona Norte y Sur. De aquí que se trata de dar un alcance y establecer el panorama real de la presencia de arcillas expansivas en un proyecto de cimentación, para luego tomar precauciones en el diseño estructural de las cimentaciones apoyadas en este tipo de suelo. 2.00 Reconocimiento de los suelos expansivos Un suelo expansivo, implica no solamente la tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta el contenido de agua, sino también la disminución de volumen o contracción si el agua se va perdiendo. Una manera de poder observar si un suelo tiene potencial de hinchamiento o si presenta expansividad es mediante las siguientes metodologías: Análisis Mineralógico : es determinar las propiedades básicas de las arcillas, mediante técnicas adecuadas de laboratorio, los minerales que conforman la arcilla se pueden evaluar cuantitativamente. Método de los índices: Los ensayos de propiedades índices del suelo pueden ser usados para la evaluación del potencial de hinchamiento de los suelos expansivos. Estos ensayos son fáciles de realizar y deberían ser incluidos en los ensayos rutinarios en la investigación para un estudio de mecánica de suelos en aquellas áreas donde existen antecedentes de presencia de suelos expansivos. Podrían incluir los siguientes ensayos estándar. Límite líquido ........ (LL). Límite plástico........ (LP). Límite de contracción... (LC). UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 2 Holtz y Gibbs (1956) demostraron que el índice plástico y el límite líquido son índices útiles para determinar las características de expansión de las arcillas Cuadro Nº2. Seed, Woodwuard y Lundgren, considerando que el potencial de hinchamiento está definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente, la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul 2 después de ser compactada a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad, siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. Estos autores establecieron la siguiente relación: Donde : S = potencial de hinchamiento IP = Índice plástico K=3.6 x 10 -5 (constante) Una relación entre el potencial de hinchamiento de las arcillas y el índice de plasticidad es como la que se presenta en cuadro1 CUADRO N°1 Indice de plasticidad:% Potencial de hinchamiento 0 – 15 Bajo 10 – 35 Medio 20 – 55 Alto <55 Muy alto Según este cuadro (3.1) se observa que a mayor índice de plasticidad se manifiesta mayor hinchamiento. P I * K * 60 = S 2.44 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 3 El grado de peligrosidad que ofrecen las arcillas ha sido correlacionado por Holtz y Gibbs en 1954 por medio de su límite de contracción según cuadro 2, que durante un tiempo fue muy usada. CUADRO N°2 Límite de contracción Peligro de Hinchamiento <10 Crítico 10 – 12 Marginal >12 No crítico Ranganathan y Stayanarayana en 1965, dan una tabla para reconocer la potencialidad de la expansión, dando un nuevo índice de contracción; en donde este índice de contracción es obtenido como la variación del contenido de humedad correspondiente al límite líquido y al límite de contracción según la siguiente expresión. IC = LL - LC Donde: IC = Indice de contracción. LL = Límite líquido. LC = Límite de contracción. Con la expresión anterior tenemos la siguiente correlación cuadro 3 CUADRO N°3 Indice de contracción (%) Potencial de hinchamiento 0 – 20 Bajo UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 4 20 – 30 Medio 30 – 60 Alto >60 Muy alto G.F. Sowers en 1961, propuso una correlación basándose en las propiedades índices de los suelos susceptibles a cambios de volumen Cuadro 4 CUADRO N°4 Probabilidad de cambios de volumen al producirse cambios de humedad Índice plástico Límite de con tracción Regiones Áridas Regiones húmedas Pequeña 0 – 15 0 -30 >12 Pequeña y moderada 15 – 30 30 - 50 10 - 12 Moderada a severa >30 >50 <10 PRESION DE HINCHAMIENTO David y Komornik (1969) , Propuso una ecuación que se utiliza para calcular la presión de expansión. Esta se encuentra basada en un extenso análisis estadístico de más de 200 muestras de suelo; la ecuación propuesta por los autores es: ) W 0.0269( - ) ( 0.665 + 0.0208(LL) + 2.132 = P 0 d s ¸ Log Donde: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 5 Ps = Presión de hinchamiento ( kg/cm 2 ) LL = Límite Líquido (%) γ d = Peso volumétrico seco (Ton / m 3 ). W o = Humedad Natural en porcentaje. Según VIJAYVERGIVA y GHAZZALY en 1973 establecieron la relación que determina la presión de hinchamiento para suelos españoles y al menos es la más usada en España. ) 139.5 - LL 0.65 + 62.5 ( 19.5 1 = P d 0 ¸ log Cálculo de la Presión de Hinchamiento Cuadro 5 CUADRO N°5 MUESTRA PROF (m) LL % CLAF SUCS γ d gr/cm 3 W % PRESION DE HINCHAMIENTO KOMORNIF AND DAVID VIJAYVERGIYA Y GHAZZALY M-1 0.00 0.50 51.5 CH 1.85 6.80 1.780 3.11 M-2 0.50 1.20 52.5 CH 1.83 13.2 1.218 2.89 M-3 1.20 1.75 53.6 CH 1.57 15.3 0.757 0.46 M-4 1.75 2.60 51.1 CH 1.52 16.2 0.588 0.26 3.00 ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS Los métodos más satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de hinchamiento y presión de hinchamiento de arcillas expansivas, es por medio de las mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 6 ENSAYO DE EXPANSION LIBRE El ensayo de expansión libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua, la cual se anota el hinchamiento vertical en función del tiempo sin la aplicación de ninguna carga. Holtz en 1956 presentó el ensayo como una prueba muy sencilla para reconocer una arcilla expansiva. Lo que se busca en el ensayo de expansión es el porcentaje de hinchamiento libre, que es la diferencia en el volumen final e inicial, expresado como porcentaje del volumen inicial así: 100 * V V - V = h % i i f L Donde: libre to hinchamien = hL , inicial Volumen = Vi , final volumen = V f Se presenta a continuación los resultados de un ensayo como se muestra a continuación POZO : C-2 MUESTRA : MI-1 PROF. (m) : 1.90-2.10 CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN Diámetro del anillo(cm) 6.350 Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 Altura de la muestra final (cm) 2.780 Cont. de humedad inicial(%) 8.280 Cont. de humedad final (%) 21.37 Densidad húmeda inicial (gr/cm 3 ) 1.789 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 7 Densidad seca inicial (gr/cm 3 ) 1.508 Densidad húmeda final (gr/cm 3 ) 1.830 Densidad seca final (gr/cm 3 ) 1.652 CUADRO N°6 : CUADRO DE RESULTADOS Tiempo (min) Expansión (mm) Expansión (%) 0.00 0.000 0.00 0.25 0.009 0.04 0.50 0.035 0.14 1.00 0.055 0.22 2.00 0.059 0.23 5.00 0.065 0.26 10.00 0.085 0.33 15.00 0.089 0.35 30.00 0.091 0.36 60.00 0.092 0.36 360.00 0.093 0.37 1440.00 0.094 0.37 2880.00 0.176 0.69 4320.00 0.300 1.18 8640.00 1.200 4.72 9960.00 1.600 6.30 15000.00 2.400 9.45 19800.00 2.400 9.45 ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA. Se realiza este ensayo preparando el espécimen de un suelo inalterado, colocando dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un consolidómetro, con la ayuda del marco de carga y el dial de deformación, se UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 8 procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra. La presión de expansión que se obtenga al final es la medida de la fuerza máxima por unidad de área que pueda producir el suelo en condiciones de expansión extrema es la presión de expansión bajo carga controlada a continuación se presenta un ensayo. ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA ENSAYO 1 POZO : P-3 MUESTRA : MI-1 PROF. (m) : 1.90-2.10 CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN Diámetro del anillo(cm) 6.350 Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 Altura de la muestra final (cm) 2.628 Cont. de humedad inicial(%) 10.00 Cont. de humedad final (%) 35.60 Densidad húmeda inicial (gr/cm 3 ) 2.002 Densidad seca inicial (gr/cm 3 ) 1.820 Densidad húmeda final (gr/cm 3 ) 2.385 Densidad seca final (gr/cm 3 ) 1.759 DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 9 CUADRO N°7 : CUADRO DE RESULTADOS FECHA TIEMPO (min) EXPANSION (mm) CARGA DE CONTROL (lb) PRESION DE CONTROL (kg/cm2) 03-12-91 18.00-hrs 8.000 10.00 0.14 5 7.906 10 7.824 30 7.644 60 7.296 120 7.208 04-12-91 18.00-hrs 6.875 25.00 0.36 5 6.862 10 6.824 30 6.642 60 6.414 120 6.168 05-12-91 18.00-hrs 5.649 50.00 0.72 5 5.630 10 5.618 30 5.586 60 5.506 120 5.406 06-12-91 18.00-hrs 5.223 60.00 0.86 5 5.221 10 5.215 30 5.208 60 5.016 07-12-91 18.00-hrs 4.999 75.00 1.08 5 4.992 10 5.364 30 5.684 60 7.122 DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 10 4.00 CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE En la figura adjunta: La cimentación se encuentra apoyada en un suelo con características expansivas donde: d f : Nivel De desplante de la cimentación, Pc : Presión de contacto P exp . Presión de expansión P : Carga que transmite la super – estructura a la cimentación B : Ancho del cimiento q adm : Capacidad portante admisible del suelo Criterios: Pc ≤ q adm Pc ≥ P exp Pc = P / B*L DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 11 EJEMPLO Utilizando la información y cuadro 1 y 2, diseñar la cimentación mediante zapatas, para cimentar un colegio de tres niveles, sistema aporticado de luz de 8m, con las siguientes características: - Espesor de loza : 0.20m - Tabiquería : 0.15m. - Vigas : 0.30 x 0.65m. - Columnas : 0.30 x 0.30m. - Cohesión : 0.335 kg/cm 2 - Ángulo de fricción : 10º - Fuerza expansiva : 0.93 kg/cm 2 - Df (Dessplante) : 1.5m. - f´c : 210kg/cm 2 1. Predimensionamiento de la estructura. Se tiene un edificio de 3 pisos con las siguientes características: - 1º piso = 3.5 m. - 2º - 3º piso altura típica = 2.6 m. - Columnas de concreto armado (4) = 0.3 x 0.3m - Vigas peraltadas (0.25 x 0.65m) y Vigas soleras (0.25 x 0.20m) de concreto armado - Muros de albañilería (KK 18 huecos) de soga. - Losa aligerada (espesor 0.2m) Datos adicionales: Concreto Armado - Resistencia a la compresión (f´c) =210kg/cm 2 - Peso específico = 2.4 Tn/m 3 Losa Aligerada - Ladrillo = 30x30x15 cm. - Losa de concreto(e) = 0.05m. DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 12 - Peso aligerado = 0.30 tn/m 2 Muro de albañilería - Peso específico = 1.9 Tn/m 3 Las columnas se han distribuido de la siguiente manera: 1 2 2.6m 8m 2.6m 5m 3.5m 4 3 1,4 2,3 Planta Colegio Elevación Colegio Las cargas de servicio se han aplicado según el R.N.C (E-0.20), teniendo en cuenta: - Cargas muertas (D): Materiales (Concreto, Albañilería) y Acabados (0.1Tn/m 2 ) - Cargas Vivas (L): Piso Típico ( 0.2Tn/m 2 ) y Azotea (0.1Tn/m 2 ) - Combinación : 1 D + 1 L Mediante la ayuda de un programa de análisis estructural (ETABS Nolinear v.8.2.7) se obtuvieron las reacciones en los apoyos en cada columna como se muestra en el siguiente cuadro: Columna Reacción (Tn) 1 89.35 2 89.35 3 89.35 4 89.35 DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 13 2. Cimentación de la estructura Reconocimiento del suelo de fundación. Carga P 0.00m N.T Pozo C-1, Muestra M-1 ¸ = 1.7 Tn/m 3 0.40m Desplante (Df) Pc Pozo C-1, Muestra M-2 ¸ = 2.13 Tn/m 3 Ancho de la cimentación (B) 4.00m Pozo C-1, Muestra M-3 (P exp ) ¸ = 2.13 Tn/m 3 5.00m Criterios 1 : 1. Pc ≤ q adm 2. Pc ≥ P exp D f : Nivel De desplante de la cimentación, Pc : Presión de contacto P exp . Presión de expansión P : Carga que transmite la super – estructura a la cimentación B : Ancho del cimiento q adm : Capacidad portante admisible del suelo DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 14 Análisis por falla general (Teoría de Terzaghi), para cimiento cuadrado ¸ ¸ N B N q N C q q c U × × × + × + × × = 4 . 0 3 . 1 q U = carga última (Tn/m 2 ) C = cohesión del suelo N c , N q y N ¸ = factores de capacidad de carga adimensional, están en función de | ¸ = Peso específico del suelo q = ¸ x Df B = Ancho de la cimentación Teniendo | = 10º, obtenemos : N c = 9.61 N q = 2.69 N ¸ = 0.56 C = 0.335 kg/cm 2 = 3.35Tn/m 2 ¸ 1 = 1.7 Tn/m 3 obtenemos: q 1 = ¸ 1 x Df 1 = 1.7 Tn/m 3 x 0.4 m. = 0.68 Tn/m 2 ¸ 2 = 2.13 Tn/m 3 obtenemos: q 2 = ¸ 2 x Df 2 = 2.13 Tn/m 3 x 0.9 m. = 1.917 Tn/m 2 q = q 1 +q 2 = 0.68 + 1.917 = 2.597 Tn/m 2 56 . 0 13 . 2 4 . 0 69 . 2 597 . 2 61 . 9 35 . 3 3 . 1 × × × + × + × × = B q U q U = 48.837 + 0.477 B Sabiendo que la capacidad de carga admisible = q U /F.S, (factor de seguridad = 2.5- 3), y tomando F.S = 3, tenemos: q adm = 16.279 + 0.159 B.....................................................................(1) y sabemos que : Pc = P/B 2 = 89.35/ B 2 y q adm > Pc ...............................................(2) de (1) y (2) tenemos 0.159 B 3 +16.279 B 2 –89.35 =0 B = 2.32 m. Entonces: Pc = P/B 2 = 89.35/ 2.32 2 = 16.6 Tn/m 2 DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 15 q adm = 16.279 + 0.159 B = 16.6 Tn/m 2 Se cumple 1era condición Pc ≤ q adm Análisis por Fuerza Expansiva: Pc ≥ P exp - Presión de Contacto = Pc = P/B 2 = 89.35/2.32 2 = 16.6 Tn/m 2 - Presión Expansiva = P exp = 0.93kg/cm 2 = 9.3 Tn/m 2 Se cumple 2da condición Pc ≥ P exp 3 Diseño estructural de la cimentación B = 2.32 0.3+d 0.3 1. Condición Diseño: V U / |= V C - Vu / | = (1/ |) x (Pu-Wu(0.3+d)(0.3+d) = (1/|) x 189.53 – 16.6(0.3+d) 2 ………(1) - Vc = d b c f × × 0 ´ 06 . 1 = 1.06 x \210 x 4(0.3+d) x d = 61.443 x10x(0.3d+d 2 ) …(2) (1)= (2) 189.53 –16.6(0.3+d) 2 = 0.85x (61.443 x10x(0.3d+d 2 )) d = 0.455m. - Usar: h = 0.6m, d prom = 0.6-(R+| 3/4 ) = 0.6-(7.5+1.91) = 0.51m > d 2. Diseño por flexión 2 2 Lv S Wu Mu × × = = 16.6 x 2.32 x 2.02 / 2 = 38.89 Tn-m DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 16 ) 2 ( a d fy Mu As ÷ × × = | = | . | \ | ÷ × × × 2 63 . 3 51 4200 9 . 0 10 89 . 38 5 = 20.648 cm 2 A s min = 0.0018 x 232 x 50.1 = 20.92cm 2 - En sentido longitudinal n = As / As| 1/2 = 20.648 / 1.27 = 16.25 ~17 s = 1 2 2 / 1 ÷ ÷ ÷ n R B | = (2.32-2x0.075-0.0127) / (17-1) = 0.13m Usar : 17 | 1/2 @0.13m. - En sentido Transversal Ast = As x B/L = As = 20.648 cm 2 n = 17 s = 0.13 m Usar : 17 | 1/2 @0.13m. 1.30m H =0.6m 17 | 1/2 @0.13m. B = 2.40m. DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 17 Seed.0 lb/pul 2 después de ser compactada a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad.6 x 10-5 Una relación entre el potencial de hinchamiento de las arcillas y el índice de plasticidad es como la que se presenta en cuadro1 CUADRO N°1 Indice de plasticidad:% Potencial de hinchamiento 0 – 15 10 – 35 20 – 55 <55 Bajo Medio Alto Muy alto Según este cuadro (3.44 establecieron la siguiente relación: Donde : S IP = potencial de hinchamiento = Índice plástico (constante) K=3. Woodwuard y Lundgren. 2 . siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. considerando que el potencial de hinchamiento está definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F .1) se observa que a mayor índice de plasticidad se manifiesta mayor hinchamiento. CORREA MOROCHO Abril 2009 Holtz y Gibbs (1956) demostraron que el índice plástico y el límite líquido son índices útiles para determinar las características de expansión de las arcillas Cuadro Nº2. Estos autores S = 60 * K * I P2. la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1. dan una tabla para reconocer la potencialidad de la expansión. en donde este índice de contracción es obtenido como la variación del contenido de humedad correspondiente al límite líquido y al límite de contracción según la siguiente expresión.LC Donde: IC = Indice de contracción. CUADRO N°2 Límite de contracción Peligro de Hinchamiento <10 10 – 12 Crítico Marginal >12 No crítico Ranganathan y Stayanarayana en 1965.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . CORREA MOROCHO Abril 2009 El grado de peligrosidad que ofrecen las arcillas ha sido correlacionado por Holtz y Gibbs en 1954 por medio de su límite de contracción según cuadro 2. IC = LL . LC = Límite de contracción. que durante un tiempo fue muy usada. dando un nuevo índice de contracción. LL = Límite líquido. Con la expresión anterior tenemos la siguiente correlación cuadro 3 CUADRO N°3 Indice de contracción (%) 0 – 20 Potencial de hinchamiento Bajo 3 . 0269( W 0 ) Donde: 4 .665 (  d ) . Sowers en 1961. CORREA MOROCHO Abril 2009 20 – 30 30 – 60 Medio Alto >60 Muy alto G.50 10 .UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F .0208(LL)+ 0.F.132 + 0. propuso una correlación basándose en las propiedades índices de los suelos susceptibles a cambios de volumen Cuadro 4 CUADRO N°4 Probabilidad de cambios de volumen al producirse Índice plástico Límite de Regiones Regiones con tracción Áridas 0 – 15 15 – 30 húmedas cambios de humedad Pequeña 0 -30 >12 Pequeña y moderada 30 . Esta se encuentra basada en un extenso análisis estadístico de más de 200 muestras de suelo. Propuso una ecuación que se utiliza para calcular la presión de expansión.0. la ecuación propuesta por los autores es: Log Ps = 2.12 Moderada a severa >30 >50 <10 PRESION DE HINCHAMIENTO David y Komornik (1969) . 3 0.00 ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS Los métodos más satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de hinchamiento y presión de hinchamiento de arcillas expansivas.83 13.1 CH 1.20 1. Según VIJAYVERGIVA y GHAZZALY en 1973 establecieron la relación que determina la presión de hinchamiento para suelos españoles y al menos es la más usada en España.20 1.46 M-4 51.588 0. es por medio de las mediciones directas.757 0.218 2.5 CH 1. CORREA MOROCHO Ps = Presión de hinchamiento ( kg/cm2 ) LL = Límite Líquido (%) γd = Peso volumétrico seco (Ton / m3).65 LL .75 2. 5 .50 0. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio. W o = Humedad Natural en porcentaje.89 M-3 53.5 ) 19.57 15.60 51.80 1.2 1. Abril 2009 log P0 = 1 ( 62.11 M-1 0.5  d + 0.5 Cálculo de la Presión de Hinchamiento Cuadro 5 CUADRO N°5 γd gr/cm3 MUESTRA PROF (m) LL % CLAF SUCS W % PRESION DE HINCHAMIENTO KOMORNIF AND DAVID VIJAYVERGIYA Y GHAZZALY 3.75 1.52 16.00 0.2 0.6 CH 1.85 6.139.780 M-2 52.26 3.5 CH 1.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F .50 1. Holtz en 1956 presentó el ensayo como una prueba muy sencilla para reconocer una arcilla expansiva. Lo que se busca en el ensayo de expansión es el porcentaje de hinchamiento libre. V f = volumen final Se presenta a continuación los resultados de un ensayo como se muestra a continuación POZO MUESTRA PROF. V i = Volumen inicial .90-2.789 : C-2 : MI-1 : 1. CORREA MOROCHO Abril 2009 ENSAYO DE EXPANSION LIBRE El ensayo de expansión libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua. de humedad final (%) Densidad húmeda inicial (gr/cm3) 6. (m) CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN Diámetro del anillo(cm) Altura de la muestra inicial (cm) Altura de la muestra final (cm) Cont.780 8. la cual se anota el hinchamiento vertical en función del tiempo sin la aplicación de ninguna carga.37 1. expresado como porcentaje del volumen inicial así: % hL = Donde: V f -V i * 100 Vi hL = hinchamien to libre .280 21.10 6 . que es la diferencia en el volumen final e inicial.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F . de humedad inicial(%) Cont.350 2.540 2. 45 ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA.00 5.400 2.18 4.00 4320.00 30.009 0.00 15000.04 0.23 0.00 15.200 1.69 1.37 0.37 0.830 1.00 0.00 0.093 0. se 7 . Se realiza este ensayo preparando el espécimen de un suelo inalterado.50 1.652 CUADRO N°6 : CUADRO DE RESULTADOS Tiempo (min) Expansión (mm) Expansión (%) 0.00 19800.00 2.00 2880.000 0.35 0. con la ayuda del marco de carga y el dial de deformación.092 0.00 8640.035 0.00 1440.176 0.00 10.30 9.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F .36 0.300 1.085 0.00 0.72 6.22 0.508 1.36 0.089 0.14 0.00 360. colocando dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un consolidómetro.400 0.091 0.094 0.33 0.059 0. CORREA MOROCHO Densidad seca inicial (gr/cm3) Densidad húmeda final (gr/cm3) Densidad seca final (gr/cm3) Abril 2009 1.26 0.065 0.45 9.600 2.00 60.055 0.00 9960.25 0. 820 2.002 1. ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA ENSAYO 1 POZO MUESTRA PROF.60 2. CORREA MOROCHO Abril 2009 procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra.00 35. de humedad inicial(%) Cont.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE MECANICA DE SUELOS DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS POR: MANUEL F .759 8 .90-2. de humedad final (%) Densidad húmeda inicial (gr/cm3) Densidad seca inicial (gr/cm ) Densidad húmeda final (gr/cm3) Densidad seca final (gr/cm3) 3 6.385 1.540 2. La presión de expansión que se obtenga al final es la medida de la fuerza máxima por unidad de área que pueda producir el suelo en condiciones de expansión extrema es la presión de expansión bajo carga controlada a continuación se presenta un ensayo.628 10. (m) : P-3 : MI-1 : 1.350 2.10 CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN Diámetro del anillo(cm) Altura de la muestra inicial (cm) Altura de la muestra final (cm) Cont. 08 EXPOSITOR: ING.630 5.875 6.649 5.00-hrs 5 10 30 60 60.14 04-12-91 18.36 05-12-91 18.642 6. MANUEL F.DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS CUADRO N°7 : CUADRO DE RESULTADOS FECHA TIEMPO (min) EXPANSION (mm) CARGA CONTROL (lb) DE PRESION DE CONTROL (kg/cm2) 03-12-91 18.00-hrs 5 10 30 60 120 25.00-hrs 5 10 30 60 75.862 6.992 5.168 5.00 0.122 10.215 5.00 0.00-hrs 5 10 30 60 120 8.00-hrs 5 10 30 60 120 50.00 1.586 5.618 5.824 6.72 06-12-91 18.86 07-12-91 18.999 4.364 5.906 7.016 4.00 0.296 7.406 5.000 7.208 5.UNI 9 .223 5.824 7.00 0.208 6.221 5.684 7.414 6. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC .506 5.644 7. MANUEL F. : Presión de contacto . CORREA MOROCHO PROFESOR FIC .UNI 10 .DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS 4. Presión de expansión : Carga que transmite la super – estructura a la cimentación : Ancho del cimiento qadm : Capacidad portante admisible del suelo Criterios: Pc Pc ≤ ≥ qadm Pexp P / B*L Pc = EXPOSITOR: ING.00 CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE En la figura adjunta: La cimentación se encuentra apoyada en un suelo con características expansivas donde: df Pc Pexp P B : Nivel De desplante de la cimentación. = 2.65m. : 210kg/cm2 1.65m) y Vigas soleras (0. MANUEL F.15m.4 Tn/m3 Losa Aligerada   Ladrillo Losa de concreto(e) = 30x30x15 cm. Losa aligerada (espesor 0.UNI 11 .05m. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC .30m.93 kg/cm2 : 1. EXPOSITOR: ING.335 kg/cm2 : 10º : 0.30 x 0. sistema aporticado de luz de 8m. = 0. : 0.20m : 0. Predimensionamiento de la estructura.DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EJEMPLO Utilizando la información y cuadro 1 y 2. Se tiene un edificio de 3 pisos con las siguientes características:     1º piso 2º .30 x 0.25 x 0.3º piso altura típica Columnas de concreto armado (4) = 3. diseñar la cimentación mediante zapatas.2m) Datos adicionales: Concreto Armado   Resistencia a la compresión (f´c) Peso específico =210kg/cm2 = 2.25 x 0. : 0.5 m. con las siguientes características:          Espesor de loza Tabiquería Vigas Columnas Cohesión Ángulo de fricción Fuerza expansiva Df (Dessplante) f´c : 0.3m Vigas peraltadas (0. para cimentar un colegio de tres niveles.3 x 0. = 0. : 0.6 m.20m) de concreto armado   Muros de albañilería (KK 18 huecos) de soga.5m. 2.C (E-0.8.1Tn/m2)  Combinación : 1 D + 1 L Mediante la ayuda de un programa de análisis estructural (ETABS Nolinear v.9 Tn/m3 Muro de albañilería  Peso específico Las columnas se han distribuido de la siguiente manera: 1 2 2.35 89. teniendo en cuenta:  Cargas muertas (D): Materiales (Concreto.6m Las cargas de servicio se han aplicado según el R.7) se obtuvieron las reacciones en los apoyos en cada columna como se muestra en el siguiente cuadro: Columna 1 2 3 4 Reacción (Tn) 89. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC .35 89.3 Elevación Colegio 2.1Tn/m 2)  Cargas Vivas (L): Piso Típico ( 0. MANUEL F.UNI 12 .30 tn/m2 = 1.35 89.20).35 EXPOSITOR: ING.6m 8m 5m 3.5m 4 Planta Colegio 3 1.N. Albañilería) y Acabados (0.2Tn/m2) y Azotea (0.DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS  Peso aligerado = 0.4 2. 7 Tn/m3 0.00m N. Carga P 0. Cimentación de la estructura Reconocimiento del suelo de fundación.40m Desplante (Df) Pc Ancho de la cimentación (B) 4.00m Pozo C-1.13 Tn/m3 (Pexp) 5.DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS 2. : Presión de contacto . Muestra M-2  = 2. Pc ≥ Df Pc Pexp P B : Nivel De desplante de la cimentación. Muestra M-3  = 2.00m Pozo C-1. MANUEL F. Muestra M-1  = 1.UNI 13 . Pc ≤ qadm Pexp 2. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC . Presión de expansión : Carga que transmite la super – estructura a la cimentación : Ancho del cimiento qadm : Capacidad portante admisible del suelo EXPOSITOR: ING.13 Tn/m3 Criterios 1: 1.T Pozo C-1. 4  2.35 =0 B = 2..DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS Análisis por falla general (Teoría de Terzaghi)..322 = 16.. tenemos: qadm = 16...159 B3 +16.477 B Sabiendo que la capacidad de carga admisible = qU /F.35  9.3  3.61  2.56 qU = 48...(2) de (1) y (2) tenemos 0.4    B  N  qU = carga última (Tn/m2) C = cohesión del suelo Nc..335 kg/cm2 = 3.35Tn/m2 1 = 1...159 B.... Entonces: Pc = P/B2 = 89.56 C = 0. y tomando F.53)...7 Tn/m3 obtenemos: q1 = 1 x Df1 = 1......13 Tn/m3 x 0..........S = 3.. = 1.4 m.837 + 0.(1) y sabemos que : Pc = P/B2 = 89..61 Nq = 2..6 Tn/m2 EXPOSITOR: ING.68 + 1....69 N = 0. (factor de seguridad = 2....917 = 2....69  0..3  C  N c  q  N q  0.13 Tn/m3 obtenemos: q2 = 2 x Df2 = 2.....13  B  0.68 Tn/m2 2 = 2......917 Tn/m2 q = q1 +q2 = 0..S...597  2.7 Tn/m3 x 0.....279 B2 –89... = 0.............. para cimiento cuadrado qU  1........32 m.......35/ 2... MANUEL F........ están en función de   = Peso específico del suelo q =  x Df B = Ancho de la cimentación Teniendo  = 10º...597 Tn/m2 qU  1..... CORREA MOROCHO PROFESOR FIC ...9 m...... obtenemos : Nc = 9.UNI 14 .35/ B2 y qadm > Pc .... Nq y N = factores de capacidad de carga adimensional...279 + 0.. 3+d)2 = 0.279 + 0.6 Tn/m2 Se cumple 1era condición Pc ≤ qadm Análisis por Fuerza Expansiva: Pc   ≥ Pexp = 16.3+d 0.53 – 16.5+1.6m.3d+d2)) d = 0.6-(7.6(0. dprom = 0.3+d) = (1/) x 189.3 1.91) = 0.DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS qadm = 16.89 Tn-m 2 EXPOSITOR: ING.3+d)2………(1)  Vc = 1.  Usar: h = 0.3+d) x d = 61.53 –16.6 Tn/m2 = 9.32 x 2.159 B = 16.06 f ´c  b0  d = 1.443 x10x(0. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC .455m.6 x 2.35/2.32 0.85x (61.3+d)(0.3 Tn/m2 Presión de Contacto = Pc = P/B2 = 89. Diseño por flexión Mu  Wu  S  Lv 2 = 16.02 / 2 = 38.6(0.06 x 210 x 4(0.UNI 15 . Condición Diseño: VU / = VC  Vu /  = (1/ ) x (Pu-Wu(0.6-(R+3/4) = 0.93kg/cm2 Se cumple 2da condición Pc ≥ Pexp 3 Diseño estructural de la cimentación B = 2. MANUEL F.443 x10x(0.3d+d2) …(2) (1)= (2) 189.322 Presión Expansiva = Pexp = 0.51m > d 2. 40m. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC .9  4200   51   2   As min = 0.92cm2 En sentido longitudinal n = As / As1/2 = 20.63   0.1 = 20.  En sentido Transversal Ast = As x B/L = As = 20.13m. MANUEL F. EXPOSITOR: ING.DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS As  Mu   fy  (d  ) a 2 = 38.648 cm2 3.UNI 16 .6m 17 1/2 @0.13m.13m. B = 2.0018 x 232 x 50. 1.075-0.0127) / (17-1) = 0.27 = 16.13 m Usar : 17 1/2 @0.89  10 5 = 20.32-2x0.648 / 1.648 cm2 n = 17 s = 0.25 17 s=  B  2 R  1 / 2 = (2.13m n 1 Usar : 17 1/2 @0.30m H =0. UNI 17 .DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS EXPANSIVOS EXPOSITOR: ING. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC . MANUEL F.