Capacidad de carga del suelo (con diagrama)

Durante la temporada de lluvias, inmediatamente después de la lluvia, cuando entramos en el suelo suavizado por la lluvia, nuestro zapato penetra en el suelo. El suelo se exprime por debajo de nuestro zapato y emerge alrededor de los lados de nuestro zapato. Durante este proceso, perdemos el equilibrio hasta que el suelo debajo de la superficie soporta nuestro peso y nos proporciona estabilidad.

El suelo debajo de nuestro zapato acaba de "ceder". Los ingenieros geotécnicos denominan esta capacidad de ceder o huir del suelo a una falla de capacidad de carga. La falla de la capacidad de rodamiento es una falla por cizallamiento. Por lo tanto, el conocimiento de la capacidad de carga de cualquier suelo antes de la construcción de la estructura es muy esencial.

Definiciones:

(i) Fundación:

Es la parte más baja de la estructura que soporta una estructura.

(ii) Cama de fundación:

El material sobre el que descansa una cimentación se llama cama de cimentación.

(iii) Fundación superficial :

Cuando la profundidad de la cimentación es menor o igual que el ancho de la cimentación, se denomina cimentación de poca profundidad.

(iv) Fundación profunda:

Cuando la profundidad de una base es mayor que el ancho, se llama base profunda.

(v) Capacidad de carga:

Es la capacidad de carga del suelo.

(vi) Capacidad de carga máxima (q _u ):

Es la presión bruta mínima en la base de la cimentación en la que el suelo falla al cortarse.

(vii) Presión bruta (q):

La presión bruta es la presión total en la base de la zapata debido al peso de la superestructura, el peso propio de la zapata y el peso del relleno de tierra.

(viii) Intensidad de presión neta (q _n ):

Es la diferencia en las intensidades de la presión bruta y la presión de sobrecarga original. Si D es la profundidad de la base, entonces q _n = q - yD

(ix) Capacidad de carga última neta (q _nu ):

Es la intensidad de presión neta mínima la que causa la falla de corte del suelo.

Q _u = q _nu + yD

q _nu = q _u + yD

(x) Capacidad de carga segura (q _s ):

Es la intensidad de presión máxima que el suelo puede transportar de manera segura sin el riesgo de falla de corte.

q _s = q _ns + yD

= qnu / F + yD

donde F es el factor de seguridad

(xi) Capacidad de carga segura neta (q _ns ):

Es la capacidad de carga última neta dividida por un factor de seguridad.

Q _ns = q _ns / F

(xii) Capacidad de carga permitida (qa):

Es la intensidad de carga neta a la cual ni el suelo falla en el corte ni hay un asentamiento excesivo que perjudica a la estructura.

Concepto de capacidad de carga:

Todas las estructuras de ingeniería civil, ya sean edificios, presas, puentes, etc., se construyen sobre suelos. Se requiere una base para transmitir la carga de la estructura en una gran área de suelo. La base de la estructura debe estar diseñada de manera que el suelo debajo no falle en la cizalladura ni haya un asentamiento excesivo de la estructura. El método convencional de diseño de cimientos se basa en el concepto de capacidad de carga.

La capacidad de carga de la cimentación es la carga máxima por unidad de área que el suelo puede soportar sin fallas. Depende de la resistencia al corte del suelo, así como de la forma, el tamaño, la profundidad y el tipo de cimentación. La figura 9.1 muestra una curva de carga vs. asentamiento típica de una zapata. De la figura queda claro que a medida que aumenta la carga de la base, también aumenta el asentamiento.

El asentamiento aumenta linealmente con carga en la etapa inicial. A medida que aumenta la carga, el asentamiento aumenta más rápidamente y luego continúa aumentando sin ningún aumento apreciable en la carga. Esta etapa se llama falla de cimentación, es decir, el suelo ha alcanzado su capacidad para soportar carga.

Para evitar la falla de la capacidad de carga de la cimentación, es esencial tener en cuenta, antes del diseño de la cimentación, dos tipos de acción por parte del suelo cuando se somete a una carga:

(i) La capacidad de carga debe ser lo suficientemente baja para garantizar que la liquidación causada no sea excesiva.

(ii) La capacidad de carga debe ser tal que no se cause una tensión excesiva por cizallamiento.

Capacidad de carga de las fundaciones poco profundas (análisis de Terzaghi):

Suposiciones en el análisis de Terzaghi:

1. La zapata es la tira uno a poca profundidad y tiene una base áspera; (L> 5B, D> B, donde L = longitud, B = ancho y D = profundidad de la zapata).

2. El suelo es homogéneo, isotrópico # y relativamente incompresible.

3. Las zonas de falla no se extienden por encima del plano horizontal a través de la base de la zapata.

4. La zona elástica tiene límites rectos inclinados en џ = φ a la zona horizontal y las zonas plásticas completamente desarrolladas.

También llamada ecuación de capacidad de carga general para zapatas

q _u = CN _c + 0.5 γBNγ + qN _q

donde q _u = capacidad de carga máxima

q = presión de sobrecarga en la base

= yD (use γD, si está sumergido) C - cohesión del suelo

γ = peso unitario del suelo en el nivel básico de la cimentación

(usar γ de sumergido)

B = Ancho de la cimentación

D = profundidad de la fundación

N _C, N _g y N _q son factores de capacidad de carga que dependen de (ángulo de fricción interna).

Capacidad de carga a partir de códigos de construcción:

Para el diseño preliminar de cualquier estructura y para el diseño de cimientos de estructuras ligeramente cargadas, se puede utilizar la capacidad de soporte presunta. La Tabla 9.1 proporciona la capacidad de carga presunta segura para varios tipos de suelo recomendados por el Código de construcción nacional de la India.

Nota 1:

Los valores de la capacidad de carga enumerados son únicamente de consideración de corte.

Nota 2:

Los valores que figuran en la tabla son muy aproximados por los siguientes motivos:

(i) No se han considerado el efecto de la profundidad, el ancho, la forma y la rugosidad de la cimentación.

(ii) No se han considerado los efectos del ángulo de fricción, cohesión, nivel de agua, densidad, etc.

(iii) No se ha considerado el efecto de la excentricidad y la indicación de cargas.

Nota 3:

Seco significa que el nivel del agua subterránea está a una profundidad no menor que el ancho de la cimentación debajo de la base de la cimentación.

Nota 4:

Para los suelos con menos cohesión, los valores que figuran en la tabla se reducirán en un 50% si el nivel freático está por encima o cerca de la base de la zapata.

Nota 5:

La compactación de los suelos de cohesión y menos se puede determinar al impulsar un cono de 65 mm de diámetro y un ángulo de 60 ° con un martillo de 65 kg que cae de 75 cm. Si el valor N corregido para una penetración de 30 cm es menor que 10, el suelo se llama suelto, si N se encuentra entre 10 y 30, es medio y si es más de 30, el suelo se llama denso.

Factores que afectan la capacidad de carga de los suelos

Los siguientes factores afectan la capacidad de carga de los suelos:

(i) Tipo de suelo:

(ii) Características físicas de la cimentación.

(iii) Propiedades del suelo.

(iv) Tipo de cimentación

(v) mesa de agua

(vi) Cantidad de liquidación

(vii) La excentricidad de la carga.

(i) Tipo de suelo:

La capacidad de carga de los suelos depende del tipo de suelo. Dependiendo del tipo de suelo, la capacidad de carga del suelo es diferente, lo que es claro de la ecuación de capacidad de carga de Terzaghi.

q _u = CN _C + 0.5 yBNy + qN _q

Para pura cohesión menos suelo.

C = 0

La ecuación (9.1) se reduce a

q _u = 0.5 yBNy _, + qN _q

Para suelos puramente cohesivos.

φ = 0,

Los valores de los factores de capacidad de carga son

Nc = 5.7

Nq = 1 y Nγ = 0

La ecuación (9.1) es entonces

q _u = 5.7C + q

(ii) Características físicas de la cimentación:

Las características físicas como el ancho, la forma y la profundidad de la cimentación afectan la capacidad de carga de los suelos. Ec. 9.1 muestra que la capacidad de carga de los suelos depende de la anchura B y la profundidad (D) de la cimentación. Por lo tanto, cualquier cambio en el valor de B y D de la base afectará la capacidad de descubrimiento.

La forma de la cimentación también afecta la capacidad de carga, que es la siguiente:

Para pies cuadrados:

q _u = 1.2 CNc + 0.4 γBNγ + γDNq… (9.2)

Para zapatas circulares:

q _u = 1.2 CN _C + 0.3 γBNγ + γDN _q ... (9.3)

donde B es el diámetro de la zapata circular.

(iii) Propiedades del suelo:

Las propiedades del suelo, como la resistencia al corte, la densidad, la permeabilidad, etc., afectan la capacidad de carga del suelo. La arena densa tendrá más capacidad de carga que la arena suelta, ya que el peso unitario de la arena densa es más que la arena suelta.

(iv) Tipo de cimentación:

El tipo de cimentación seleccionada también afecta la capacidad de carga de los suelos. La base adoptada para la balsa o la estera soporta la carga de la estructura de manera segura al extender la carga a un área más amplia, incluso si el suelo tiene una baja capacidad de carga.

(v) Tabla de agua:

Cuando el agua está por encima de la base de la zapata, el peso unitario sumergido del suelo se usa para calcular la presión de sobrecarga y la capacidad de carga del suelo se reduce en un 50%.

Para cualquier posición del nivel freático, la capacidad de carga general se puede modificar como se indica a continuación:

(vi) Cantidad de liquidación:

La cantidad de asentamiento de la estructura también afecta la capacidad de carga del suelo. Si el asentamiento supera el posible asentamiento, se reduce la capacidad de carga del suelo.

(vii) La excentricidad de carga:

Si la carga actúa de forma excéntrica en una zapata, el ancho 'B' y la longitud 'L' deben reducirse como debajo de

B '= B - 2e

L '= L - 2e y

A '= B' X L '

La capacidad de carga máxima (qu) de dichas zapatas se determina utilizando B 'y L' en lugar de 8 y L. Por lo tanto, _{u u} es menor que la que corresponde al tamaño real de la zapata como se muestra en la figura 9.4.

Concepto de Distribución de Estrés Vertical en Suelos Debido a Cargas de la Fundación:

Cuando se carga una masa de suelo, se desarrollan tensiones verticales en el suelo. La estimación de las tensiones verticales en cualquier punto de una masa de suelo debido a la carga externa es de gran importancia en la predicción de asentamientos de edificios, puentes, terraplenes y otras estructuras. Las tensiones debidas a la carga externa son mayores en profundidades poco profundas, cercanas a la aplicación de carga puntual y se reducen a medida que aumenta la distancia vertical debajo de la carga o la distancia horizontal desde la carga.

La distribución de la tensión vertical en una masa de suelo depende de:

(i) La naturaleza de la carga, es decir, la manera de colocar la carga, la distribución de la carga y la forma del área cargada

(ii) Propiedades físicas del suelo como la relación de Poisson, el módulo de elasticidad, la compresibilidad, etc.

Al determinar las tensiones debajo de una base, generalmente se asume que el suelo se comporta como un medio elástico con propiedades idénticas en todos los puntos y en todas las direcciones. Se han utilizado muchas fórmulas basadas en la teoría de la elasticidad para calcular las tensiones en los suelos. Una de estas fórmulas fue desarrollada por primera vez por Boussinesq (1885) para las tensiones y deformaciones en el interior de una masa de suelo debido a la carga puntual vertical. Un científico británico Westergaard en 1938 también propuso una fórmula para el cálculo de la tensión vertical en la masa del suelo debido a la carga puntual vertical.

Carga puntual:

Fórmula de negocios:

La fórmula del negocio se basa en los siguientes supuestos:

(i) La masa del suelo es linealmente elástica, homogénea, isotrópica y semiinfinita.

(ii) La carga actúa como una carga concentrada vertical.

(iii) El suelo es ingrávido.

La ecuación para la tensión vertical en un punto como se muestra en la figura 9.5

Línea de carga:

La ecuación para la tensión vertical debida a una carga lineal P ₁ por unidad de longitud en la superficie en un punto ubicado en una profundidad z y una distancia x lateralmente como se muestra en la figura 9.6 es

σ _Z = 2p ₁ /

z ³ / (x ² + z ² ) ²

Tira uniformemente cargada:

La ecuación para la tensión vertical debida a una carga uniforme q en un área de banda de ancho B y longitud infinita en términos de σ y θ como se muestra en la figura 9.7 es

σ _z = q / π (α + Sin αCos 2θ)

Debajo del centro de la banda, la tensión vertical o a una profundidad z viene dada por

σ _Z = q / π (a + sin α) (θ es cero y cos2θ = 1)

o σ ₂ = ql oz

Los valores del factor de influencia se dan en la tabla 9.3,

Propiedades del suelo que rigen la elección del tipo de cimentación:

Las siguientes propiedades del suelo gobiernan la elección del tipo de cimentación:

(i) Capacidad de carga del suelo.

(ii) Asentamiento de suelo

El conocimiento de la capacidad de carga y el asentamiento del suelo es muy esencial para el diseño de cimientos de cualquier estructura. La base de cualquier estructura debe seleccionarse de modo que el suelo debajo no falle en el corte y el asentamiento se encuentre dentro de los límites permisibles.

Si la capacidad de carga del suelo a poca profundidad es suficiente para tomar de manera segura la carga de la estructura, se proporciona una base de poca profundidad. Pies aislados, pies combinados o pies en tiras son la opción para cimientos poco profundos. Se proporcionan cimientos profundos cuando el suelo inmediatamente debajo de la estructura no tiene una capacidad de carga adecuada. Pila, muelles o bien son las opciones para cimientos profundos. Los cimientos de la estera o de la balsa son útiles para el suelo que está sujeto a asentamientos diferenciales o donde existe una gran variación en la carga entre columnas adyacentes. La Tabla 9.4 da la idoneidad de los cimientos para edificios basados en el tipo de suelo.

Pruebas in situ para determinar la capacidad máxima de carga

Las siguientes pruebas in situ se pueden usar para determinar la capacidad de carga última o la capacidad de carga permisible del suelo:

(a) Pruebas de carga de placa.

(b) Prueba de penetración estándar.

(d) Ensayo de penetración estática del cono.

(e) Prueba de medidor de presión

Prueba de carga de la placa:

La prueba de carga de la placa consiste esencialmente en cargar una placa rígida al nivel de la cimentación y registrar los asentamientos correspondientes a cada incremento de carga. La capacidad de carga máxima se toma entonces como la carga a la que la placa comienza a hundirse a una velocidad rápida. Los tamaños mínimo y máximo recomendados para la placa de prueba son 30 cm cuadrados y 75 cm cuadrados respectivamente. El espesor de la placa de acero no debe ser inferior a 25 mm. Alam Singh ha recomendado que el tamaño de la placa de prueba sea de 32 cm cuadrados.

La prueba se realiza en un foso que tiene un ancho igual a 5 veces el ancho de la placa de prueba. En el centro del pozo, se cava un pequeño agujero cuadrado cuyo tamaño es igual al tamaño de la placa y el nivel inferior del pozo corresponde al nivel de la cimentación real.

La carga en la placa de prueba se puede aplicar mediante los siguientes dos métodos:

(a) Método de la plataforma de carga por gravedad.

(b) Método de truss de reacción

La carga del truss de reacción se considera conveniente y requiere menos tiempo, por lo tanto, se usa generalmente. Para este propósito, una armadura de acero se ancla al suelo a través del pozo. Un gato hidráulico con manómetro adjunto se coloca entre la parte inferior de la armadura y la placa de prueba. Al menos dos calibradores de cuadrante, con una precisión de 0.2 mm, se utilizan para medir el asentamiento de la placa de prueba. Los indicadores de cuadrante se montan en una barra de referencia independiente y solo están tocando la placa de prueba.

Antes de comenzar la prueba, se aplica una presión de asiento de 70 gm / cm ² a la placa (según lo recomendado por IS 1888-1962). Luego se retira y los indicadores de cuadrante se ponen a cero. La carga se aplica entonces en incrementos iguales acumulativos; digamos alrededor de 1/5 de la capacidad de soporte segura esperada o 1/10 de la capacidad de soporte permitida esperada. La liquidación debe registrarse para cada incremento de carga después de un intervalo de 1, 4, 10, 20, 40 y 60 minutos y, posteriormente, a intervalos de una hora, hasta que la velocidad de liquidación sea inferior a aproximadamente 0, 02 mm por hora. Después de esto, la carga aumenta al siguiente valor más alto y el proceso se repite.

Las pruebas continúan hasta que se atiende una de las siguientes etapas:

(a) La liquidación se realiza a un ritmo más rápido que indica una falla de corte.

(b) La presión aplicada excede 3 veces la presión de rodamiento permisible propuesta.

(c) El asentamiento total excede el 10 por ciento del ancho de la placa de prueba. Entonces se libera la carga. Si se desea, se puede tomar observación de rebote.

Interpretación:

La intensidad de carga y las observaciones de asentamiento de la prueba se trazan, como se muestra en la figura 9.11, en la escala lineal y en la escala log-log. IS 1888-1962, recomienda un gráfico log-log que ofrezca dos líneas rectas, cuya intersección se puede considerar la falla del suelo. Cuando el punto de falla no está claro en el gráfico, la falla se puede suponer en una liquidación del 10% del ancho de la placa. La intensidad de carga correspondiente al punto de falla proporciona la capacidad de carga máxima y se puede usar un factor de seguridad de 2.5 o 3 en la capacidad de carga máxima para obtener la capacidad de carga segura del suelo.

Efecto del tamaño de la placa sobre la capacidad de carga:

La capacidad de carga de las arenas y gravas aumenta con el tamaño de la zapata. La capacidad de carga obtenida de la prueba de carga de placa para suelos arenosos será diferente de la capacidad de carga real de la cimentación, ya que el tamaño de la cimentación será mayor que el de la placa. Para todos los propósitos prácticos, los datos de la prueba de carga de la placa se extrapolan para obtener la capacidad de carga de la zapata real.

Para suelos arenosos :

q _uf = q _arriba × B _F / B _P

dónde

q _uf = capacidad de carga última de la zapata real

q _arriba = capacidad de carga máxima de la prueba de carga de placa

B _f = anchura de la zapata

B _p = ancho de la placa

Para suelos arcillosos.

q _uF = q _arriba

Efecto del tamaño de la placa en el asentamiento :

El asentamiento de pie varía con su tamaño. Por lo tanto, el asentamiento obtenido de la prueba de carga de la placa puede no ser el mismo que el de la zapata real.

La siguiente relación se utiliza para averiguar la liquidación de la base real:

Para suelos arcillosos:

S _F = S _P × B _F / B _P

S _p = Liquidación de la zapata real en mm

S _p = Liquidación de la prueba de carga de placa en

B _f = Anchura de la zapata en metros.

B _P = Ancho de la placa en metros

Para suelos arenosos:

S _F = S _P [B _F (Bp + 0.3) / B _p (B _F +0.3)] ^-2

Limitaciones:

(1) Los datos de la prueba de carga de placa reflejan las características del suelo solo dentro de una profundidad igual al doble del ancho de la placa. Como la base real es más grande que el tamaño de la placa, la prueba de carga de la placa no representa realmente la condición real del suelo en el caso de un suelo no homogéneo, como se muestra en la figura 9.12.

(ii) La prueba de carga de placa es esencialmente una prueba de corta duración (se ejecuta en pocas horas), por lo que no se obtiene una indicación de consolidación de consolidación a largo plazo en arcillas.

(iii) No se debe confiar en esta prueba para obtener la capacidad de carga final de los suelos arenosos, ya que el efecto de escala da resultados muy engañosos.

(iv) La proximidad del nivel freático puede estar dentro de la influencia de la zapata y no de la placa de prueba, ya que el efecto de la inmersión es reducir la capacidad de carga de los suelos granulares en un 50%.

Capacidad de carga basada en la prueba de penetración estándar (SPT):

En el caso de suelos sin cohesión, los resultados del SPT se utilizan para determinar la capacidad de carga final de los suelos mediante los siguientes métodos:

(i) Usando la tabla dada por Peck, Hanson y Thornburn :