Conoce cómo aumentar la capacidad de carga de cimentaciones superficiales utilizando columnas de grava.
By Ph.D. Carolina Hernández ValerioEl tamaño de la sección de una cimentación superficial dependerá del esfuerzo aplicado por la superestructura y los parámetros que rigen la resistencia en los diferentes tipos de suelos que constituyen la estratigrafía del terreno. Sin embargo, en muchos casos, el aumento de la sección en las cimentaciones superficiales conlleva a un aumento en los asentamientos diferenciales de la estructura a pesar de que la cimentación superficial cumple con la capacidad de carga necesaria para soportar la estructura. En estos casos se debe cambiar el tipo de cimentación a una intermedia o profunda, lo cual incrementa significativamente los costos en la construcción; otra opción sería el mejoramiento de los suelos de desplante, ya que al incrementar los parámetros de resistencia en el suelo la capacidad de carga de la cimentación aumenta y los asentamientos disminuyen sin necesidad de cambiar la sección de las cimentaciones, este será nuestro tema principal en este blog.
Introducción
Una cimentación diseñada correctamente transfiere la carga a través del suelo sin sobrecargarlo. Esforzar demasiado el suelo puede dar como resultado un asentamiento excesivo o una falla por corte del suelo, los cuales causan daños a la estructura. Por lo tanto, los ingenieros geotécnicos y estructurales que diseñan cimientos deben evaluar la capacidad de carga de las cimentaciones
Dependiendo de la estructura y el suelo encontrado, se utilizan varios tipos de cimentaciones. La Figura 1 muestra los tipos de cimentación más comunes. Una zapata aislada es simplemente una ampliación de un muro o columna de carga que permite distribuir la carga de la estructura sobre un área más grande del suelo. En suelos con baja capacidad de carga, el tamaño de las zapatas requeridas es impracticablemente grande. En ese caso, es más económico construir toda la estructura sobre una plataforma de concreto (losa de cimentación). Estos dos tipos de cimentaciones son llamadas cimentaciones superficiales o poco profundos, las cimentaciones poco profundas son cimentaciones que tienen una relación de profundidad de empotramiento a ancho de aproximadamente menos de cuatro. Cuando la relación entre la profundidad de empotramiento y el ancho de una cimentación es superior a cuatro, puede clasificarse como una cimentación intermedia o profunda.
En este blog discutiremos acerca de los factores que intervienen para determinar el tamaño de una cimentación superficial, la capacidad de carga de las cimentaciones superficiales con base en los criterios de falla por cortante en el suelo y algunos métodos para reducir el tamaño de las cimentaciones superficiales sin disminuir su capacidad de carga.
Capacidad de carga de cimentaciones superficiales
Cuando se aplica a la zapata una carga uniformemente distribuida de q por unidad de área, esta se asienta. Si se aumenta la carga uniformemente distribuida (q), el asentamiento de la zapata aumenta gradualmente. Cuando se alcanza el valor de q=qu (Figura 2b), ocurre la falla por capacidad de carga; la zapata sufre un asentamiento muy grande sin ningún aumento adicional de q. El suelo en uno o ambos lados de los cimientos se abulta y la superficie de deslizamiento se extiende hasta la superficie del suelo. La relación carga-asentamiento es como la curva I que se muestra en la figura 2b. En este caso, qu se define como la capacidad de carga última del suelo (Das, 2010).
En la naturaleza, los suelos no son ni homogéneos ni isotrópicos. Hay mucha incertidumbre involucrada en la evaluación de los parámetros básicos de resistencia al corte del suelo, por tal motivo, generalmente, se aplica un factor de seguridad, Fs, de alrededor de 3 o más a la capacidad de carga última para llegar al valor de la capacidad de carga permisible. Una Fs de 3 o más no se considera demasiado conservadora (Ec. 1).
La capacidad de carga neta permisible es la carga permisible por unidad de área de la cimentación en exceso del esfuerzo vertical efectivo existente al nivel de la cimentación. El esfuerzo vertical efectivo al nivel de la cimentación es igual a q =γDf. Entonces, la última carga neta se presenta en la Ec. 2.
Terzaghi (1943) amplió la teoría de la falla plástica de Prandtl para evaluar la capacidad de carga para zapatas. Después del desarrollo de la ecuación de capacidad de carga de Terzaghi, varios investigadores trabajaron en esta área y refinaron la solución (es decir, Meyerhof, 1951 y 1963; Lundgren y Mortensen, 1953; Balla, 1962; Vesic, 1973 y Hansen, 1970). Diferentes soluciones muestran que los factores de capacidad portante Nc y Nq no cambian mucho. Sin embargo, para un valor dado de f, los valores de Ng obtenidos por diferentes investigadores varían ampliamente. Esta diferencia se debe a la variación de la suposición de la forma de cuña del suelo ubicado directamente debajo de la zapata. Sobre la base de este tipo de mecanismo de falla, la capacidad portante última de una zapata continua puede evaluarse mediante el método aproximado de superposición como se muestra en la Ec. 4.
Donde: qc,qq y q Son las contribuciones de cohesión, sobrecarga y peso unitario del suelo, respectivamente. Reissner (1924) expresó qq como se muestra en la Ec. 5.
Prandtl (1921) introdujo el coeficiente por cohesión (Ec. 7). Posteriormente, Meyerhof (1963) expresó la contribución del peso unitario del suelo como se muestra en la Ec. 8. Combinando las hipótesis anteriores se obtiene la Ec. 11, la cual representa la capacidad de carga última de una cimentación superficial.
Esta ecuación tiene la misma forma general que la dada por Terzaghi; sin embargo, los valores de los factores de capacidad portante no son los mismos. Las diferencias en los factores de capacidad de carga suelen ser menores en comparación con los parámetros desconocidos del suelo. La ecuación de la capacidad portante del suelo para una zapata corrida dada por la ecuación anterior puede modificarse para uso general incorporando los siguientes factores:
- Factor de profundidad: para tener en cuenta la resistencia al corte desarrollada a lo largo de la superficie de falla en el suelo por encima de la base de la zapata.
- Factor de forma: Para determinar la capacidad portante de zapatas rectangulares y circulares.
- Factor de inclinación: para determinar la capacidad portante de una zapata en la que la dirección de aplicación de la carga está inclinada en un cierto ángulo con respecto a la vertical. Por lo tanto, la ecuación de capacidad de carga última general modificada se puede escribir como:
Donde:
Los valores aproximados de estos factores de forma, profundidad e inclinación recomendados por Meyerhof se dan en la Tabla 1.
Así mismo, en la Tabla 2 se encuentran los valores de los coeficientes para el cálculo de capacidad de carga expuestos en las ecuaciones anteriores.
Como podemos ver en las ecuaciones anteriores, la capacidad de carga depende del tamaño de la zapata y de los parámetros de resistencia del suelo. Normalmente para aumentar la capacidad de carga se opta por ampliar la sección de la cimentación, sin embargo, al mejorar los parámetros de resistencia del suelo también podemos aumentar la capacidad de carga sin necesidad de aumentar el tamaño, uno de los cuales es la construcción de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier®.
Mejoramiento de parámetros del suelo mediante columnas de grava Geopier®
La resistencia compuesta al esfuerzo cortante de los suelos reforzados con columnas de grava compactadas con sistemas Geopier es calculada usando el método convencional para calcular los componentes de resistencia al corte promedio de los Elementos de Agregado Apisonado Geopier y el suelo matriz (FHWA 1999). La resistencia compuesta al corte es expresada en la siguiente ecuación:
La cohesión compuesta (c’comp) es calculada con la siguiente expresión:
Donde c'g es la cohesión del agregado Geopier, c'm es la cohesión del suelo matriz, y Ra es la relación del área de Geopier al área de la huella de la zona de suelo matriz reforzado. Debido a que la cohesión de Geopier es cero, la Ecuación 1 se reduce a:
El ángulo de fricción compuesto (ф'comp) es calculado con la siguiente expresión:
Donde ф'g es el ángulo de fricción interna del agregado Geopier y ф'm es el ángulo de fricción interna del suelo matriz.
Ejemplo de reducción del tamaño de una zapata
Supongamos que la carga admisible de la zapata mostrada en la Figura 3 cumple con los requerimientos de carga de la estructura, pero se requiere una reducción en sus elementos sin perder esa capacidad de carga ¿Cómo ayudan las columnas de grava para reducir el tamaño de la zapata?.
Calculando la capacidad de carga de la cimentación sin modificar:
Ya que el nivel de aguas freáticas se encuentra encima de la cimentación, los esfuerzos verticales se calculan de la siguiente manera:
Calculando la capacidad de carga de la cimentación reducida con elementos Geopier:
Reduciendo la medida de la zapata a la mitad (B=L=0.6 m) y asumiendo un área de remplazo de 0.2, los parámetros modificados del suelo debido al mejoramiento con columnas de grava compactadas con elementos Geopier® son:
Ya que el nivel de aguas freáticas se encuentra encima de la cimentación, los esfuerzos verticales se calculan de la siguiente manera:
A pesar de reducir la zapata a la mitad, la capacidad de carga de la cimentación con el mejoramiento de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier® fue 65% mayor que la cimentación normal, por lo que es posible reducir el tamaño de la zapata sin poner en riesgo a la estructura por falla general o local de corte.
Conclusiones
En este blog se describió como se calcula la capacidad de carga ultima, admisible y neta de una cimentación superficial, en la descripción de sus parámetros podemos observar que su valor depende del tamaño de la cimentación y de los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante del suelo, como consecuencia, al reducir el tamaño de la cimentación se reduce su capacidad de carga, una manera de contrarrestar este efecto es mejorando los parámetros de resistencia del suelo mediante columnas de grava compactadas con sistemas Geopier®. Esto es comprobado mediante un ejemplo de cálculo desarrollado en este blog, en el que se demuestra que, a pesar de reducir la zapata a la mitad, la capacidad de carga de la cimentación con el mejoramiento de columnas de grava compactadas mediante sistemas Geopier® fue 65% mayor que la cimentación normal, por lo que es posible reducir el tamaño de la zapata sin poner en riesgo a la estructura por falla general o local de corte.
Referencias
DAS (2010). “Principles of Geotechnical Engineering”. Cengage Learning. USA. MEYERHOF, G. G. (1951). “The Ultimate Bearing Capacity of Foundations,” Geotechnique, Vol. 2, No. 4, 301–331. MEYERHOF, G. G. (1953). “The Bearing Capacity of Foundations Under Eccentric and Inclined Loads,” Proceedings, 3rd International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 1, 440–445. MEYERHOF, G. G. (1956). “Penetration Tests and Bearing Capacity of Cohesionless Soils,” Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, American Society of Civil Engineers, Vol. 82, No. SM1, pp. 1–19. MEYERHOF, G. G. (1963). “Some Recent Research on the Bearing Capacity of Foundations,” Canadian Geotechnical Journal, Vol. 1, 16–26. MEYERHOF, G. G. (1965). “Shallow Foundations,” Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 91, No. SM2, pp. 21–31. PRANDTL, L. (1921). “U¨ ber die Eindringungsfestigkeit (Harte) plasticher Baustoffe und die Festigkeit von Schneiden,” Zeitschrift fu¨ r Angewandte Mathematik und Mechanik, Basel, Switzerland, Vol. 1, No. 1, 15–20. REISSNER, H. (1924). “Zum Erddruckproblem,” Proceedings, 1st International Congress of Applied Mechanics, 295–311. SKEMPTON, A. W. (1942). “An Investigation of the Bearing Capacity of a Soft Clay Soil,” Journal of the Institute of Civil Engineers, London, Vol. 18, 307–321. TERZAGHI, K. (1943). Theoretical Soil Mechanics, Wiley, New York.