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Ingeniería Geotécnica
Prof.: Wilfredo Gutiérrez Lázares
MODELOS DE COMPORTAMIENTO
DEL SUELO
Y
MÉTODOS DE DISEÑO DE
CIMENTACIONES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
N
N
ζ 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Deformación Tangencial (cm)
Esfu
erz
o C
ort
e (
kg
/cm
2)
Deformación Tangencial vs. Esfuerzo de Corte
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
Gráficos Deformación Tangencial vs.
Esfuerzo de Corte
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Deformación Tangencial (cm)
Esfu
erz
o C
ort
e (
kg
/cm
2)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Esfuerzo Normal (kg/cm 2)
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
kg
/cm
2)
Esfuerzo Normal vs. Esfuerzo
de Corte Máximo
Resultados:
Cohesión : c = 0.06 kg/cm2
Angulo de fricción : Φ = 27.2º
c = 0.06 kg/cm2
Φ = 27.2º
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
Concepción General de la
Modelación
METODOS DE
DISEÑO Y
SEGURIDAD PROBLEMA
REAL
MODELO DE
LAS
CARGAS
MODELO
DEL
MATERIAL
MODELO DE
LA
ESTRUCTURA
SOLUCION
DEL MODELO
DEL
PEROBLEMA
REAL
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Modelos Empleados
Para el Terreno
• Semi Espacio
• Estrato de potencia
limitada
Para las Cargas
• Distribución estadística,
según la t de student.
Y1 Y1K Y1*
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
COMPONENTES
1. Cimentaciones.
2. Clasificación y usos.
3. Modelos de comportamiento del suelo.
4. Métodos de diseño y seguridad empleados.
5. Requisitos para el diseño.
6. Propiedades físico mecánicas empleadas.
7. Combinaciones de cargas.
8. Agua subterránea.
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
Temas Principales
Modelos de Comportamiento del Suelo
Métodos de Diseño.
Diseño por Estados Límites
Introducción al cálculo de
Asentamientos No Lineales
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
N
N
ζ
Modelos de Comportamiento del Suelo
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Deformación Tangencial (cm)
Esfu
erz
o C
ort
e (
kg
/cm
2)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.00.1
0.20.3
0.40.5
0.60.7
0.80.9
1.0
Deformación Tangencial (cm
)
Esfu
erz
o C
ort
e (kg/c
m2 )
0.0
0
0.1
0
0.2
0
0.3
0
0.4
0
0.5
0
0.6
0
0.7
0
0.8
0
0.9
0
1.0
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
De
form
ació
n T
an
ge
ncia
l (cm
)Esfuerzo Corte (kg/cm 2)
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N
N
ζ
Modelos de Comportamiento del Suelo
Asentamiento o
deformación
Carga Q
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A
B
D
C
Asentamiento o
deformación
Carga Q
Modelos de Comportamiento del Suelo
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN
qbr R qelást
S(deformación)
σ(esfuerzo)
Zona Elástica
Zona de Linealidad
Falla
Modelos de Comportamiento del Suelo
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CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN
qelást
S(deformación)
σ(esfuerzo)
Zona Elástica
Usado muy poco; el qelast o
resistencia estructural del
suelo (valores muy pequeños
de esfuerzos)
Modelos de Comportamiento del Suelo
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CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN
R
S(deformación)
σ(esfuerzo)
Zona de Linealidad
Participa en comportamientos
con mayores esfuerzos.
USADO EN GEOTECNIA
Modelos de Comportamiento del Suelo
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN qbr
S(deformación)
σ(esfuerzo)
Falla
Se modela como haber
alcanzado la falla del suelo.
USADO EN GEOTECNIA
Modelos de Comportamiento del Suelo
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
CURVA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN qbr R qelást
S(deformación)
σ(esfuerzo)
Zona de Linealidad
Falla
Modelos de Comportamiento del Suelo
Comportamiento
Lineal
Comportamiento
Plástico
Los suelos no tienen comportamiento totalmente lineal ni
plástico; sin embargo los problemas en ingeniería se resuelven
con el uso de estos modelos clásicos
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Modelos del Material
• Lineales
• Plásticos
• Elasto Plásticos
• No Lineales
• Reológicos
Comportamiento real
del Suelo
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Características del Modelo Lineal
1. Relación lineal entre tensión y deformación
σ(esfuerzo)
ε(deformación)
Δσ
Δε
E = Δσ / Δε
Módulo de Deformación de Young
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Características del Modelo Lineal
2. Estado deformacional del suelo lejos de la falla
σ
ζ
σ3 σ1
Envolvente
de Falla
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Características del Modelo Lineal
3. Se cumple el principio de superposición de efectos
CM + CV + CS
4. Existe compatibilidad entre deformaciones totales y
las unitarias
ε CM + ε CV + ε CS
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Características del Modelo Lineal
Aplicación:
1. Tensiones por cargas impuestas.
2. Asentamientos en el suelo de cimentación.
3. Empujes de Reposo de los suelos.
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Características del Modelo Plástico
1. No se puede definir una relación determinada entre
tensión y deformación
σ(esfuerzo)
ε(deformación)
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Características del Modelo Plástico 2. Estado tensional en inminente falla
σ
ζ
σ3 σ1
Envolvente
de Falla
3. Existe compatibilidad entre deformaciones totales y las
unitarias
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Características del Modelo Plástico
Aplicación:
1. Análisis de estabilidad de Taludes.
2. Análisis de la capacidad de carga de las
cimentaciones superficiales y profundas.
3. Determinación de Empujes Activo y Pasivo.
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Resumen de los Modelos
Lineales
• Relación lineal entre
tensión y deformación
• Estado deformacional del
suelo lejos de la falla
• Cumplimiento de las
ecuaciones de
compatibilidad
• Existe un estado de
equilibrio
Plásticos
• No se puede definir una
relación determinada entre
tensión y deformación
• Estado de inminente falla
• Se trabaja sobre una superficie
de falla
Pero el comportamiento del suelo es mucho más complejo
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MODELO CARACTERÍSTICAS USOS
Lineal
Relación Esf vs Def, lineal.
Tensión lejos de la falla
Superposición de efectos
Compatibilidad entre
deformaciones totales y unitarias
Tensiones por cargas impuestas
Cálculo de asentamientos
Cálculo de empujes en reposo
Plástico
No existe relación entre Esf vs
Def, tensión en falla
No hay compatibilidad entre
deformaciones totales y unitarias
Análisis de estabilidad de taludes.
Capacidad de cargas de
cimentaciones
Empujes activo y pasivo
Reológico Deformación a lo largo del tiempo
Elasto - plástico Presenta los dos comportamientos
Elasto - plástico (con
endurecimiento por
deformación)
Rigidización del suelo (existen
tratados)
Rígido plástico
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CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA
Temas Principales
Modelos de Comportamiento del Suelo
Métodos de Diseño.
Diseño por Estados Límites
Introducción al cálculo de
Asentamientos No Lineales
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MÉTODOS DE DISEÑO Y SEGURIDAD
Esfuerzos Admisibles
Factor de Seguridad Global
Estados Límites
Teoría de seguridad
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Tendencias Mundiales en el Diseño Geotécnico
Métodos
de
Diseño
Esfuerzos Admisibles
Factor de Seguridad Global
Estados Límites
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METODO:
DE LOS ESFUERZOS ADMISIBLES
Y1 Y2Adm
Y1 : Función de las tensiones actuantes normativas
Y2 : Esfuerzo admisible del material
* EN EL DISEÑO DEL AREA DE LA CIMENTACIONES
P R´s
P : Tensión actuante normativa en la cimentación
R´s : Resistencia del suelo
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MÉTODO:
FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL
Y1 Y2 / k
Y1 : Función de las tensiones actuantes normativas
Y2 : Función de las tensiones resistentes normativas
k : Factor de seguridad global
* En el diseño del área de la base de las cimentaciones
qact (qbr - q´) / k + q´
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Temas Principales
Modelos de Comportamiento del Suelo
Métodos de Diseño.
Diseño por Estados Límites
Introducción al cálculo de
Asentamientos No Lineales
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Trabajos a Nivel Mundial (al 2000)
1) Revisar la aplicación de los estados límites en el diseño geotécnico
en todas las Sociedades Nacionales del ISSMGE.
2) Identificar los problemas experimentados por las Sociedades
Nacionales con la introducción y uso de los Estados Límites en el
diseño geotécnico.
3) Comparar la aproximación entre los Diseños, los Factores Parciales
y la selección de valores de diseño empleados en varios países y
códigos; con vistas a identificar diferencias y explorar las
posibilidades de unificación entre ellos.
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MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITES
Resistencia y Estabilidad: 1er. Estado Límite
Servicio y Deformación: 2do. Estado Límite
1o Estado límite Y1* Y2
* / S
Y1* : Función de las cargas actuantes de cálculo
Y2* : Función de las cargas resistentes de cálculo
S : Coeficiente de seguridad adicional
Y1* f (Y2/ g)*(1/ S) K = f * g * S
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Y1 Y1
K Y1
*
DISTRIBUCION ESTADÍSTICA DE LA FUNCIÓN Y1
DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA DE LA FUNCIÓN Y2
Y2 Y2
K Y2
*
Y1* : Función de las cargas
actuantes de cálculo
Y2* : Función de las cargas
resistentes de cálculo
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Enfoque de los Estados Unidos.
Y1* Y2
Y1* : Función de las cargas actuantes de cálculo
Y2 : Función de las cargas resistentes nominales
: Coefiente de reducción de la capacidad resistente
Y2 Y2
= 0.5 ~ 0.8
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Países que emplean el Método de los Estados Límites
•Unión Soviética (Rusia) 1962
•Dinamarca 1965
•Estados Unidos 1980
•Canadá 1982
•Cuba 1990
•Australia 1997
•Eurocódigo 2000
•Perú (en proyectos no en norma) 2001
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MÉTODO ECUACIÓN OBSERVACIONES
Tensiones
admisiblesY1 < Y2 adm
Esta implícita la linealidad
Perú emplea P < R's
Desechado; no mide con exactitud la
seguridad
El modelo se aleja de lo real
Distan de ser óptimos y racionales
Factor de
Seguridad GlobalY1 < Y2 / k
Esta implícito el comportamiento plástico
k = 2.5 - 3.5 ; (k = 3)
Un único k que evalua todas las
inexactitudes
Con k fuerte, cae en el campo linea
Estados Límites Y1* < Y2* / Ys
Modela mejor las cargas del suelo
1erEL: Estabilidad de la estructura
2doEL: Estimación de los asentamientos
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Determinación de los Coeficientes de Seguridad
•Métodos basados en la
Matemática - Estadística INGENIERIL Cuba
•Métodos basados en la
Experiencia Práctica
Meyerhof
Brinch
Hansen
•Métodos basados en la
Matemática - Estadística EXACTA Ermolaev
Teoría de Seguridad
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TEORÍA DE SEGURIDAD : H Hn
Hn : Nivel de seguridad requerido
H : Nivel de seguridad alcanzado
Carga/Resistencia
Distribución de
Frecuencia
K
Y1=f(Y1,Vy1,y1)
Y2=f(Y2,Vy2,y2)
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H= 0.5 + F(x) F(x) : Función de Laplace
vy1,2: Coeficientes de variación de Y1 e Y2
y y k
k x
n n 2 1
2 2
2
1
+
- =
dz z
2
1 ) x ( F
X
0 2 e
2
-
= p
Y
y y
2 , 1
2 , 1 2 , 1
n =
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DETERMINACION DEL NIVEL DE SEGURIDAD
REQUERIDO Hn
• A partir de la curva H vs K
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Principios Fundamentales a cumplir para una cimentación.
Tener la profundidad adecuada para impedir daños por
levantamientos, socavaciones, o por futuras
construcciones.
Seguras contra las fallas por capacidad de carga de base de
la cimentación.
No asentarse de forma tal que dañe la utilización del la
estructura
Para esto deben tenerse presente
los siguientes aspectos.
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1. Diseño por Estabilidad
2. Chequeo del Vuelco
3. Chequeo por Deslizamiento
4. Comportamiento Lineal del Suelo
5. Cálculo de las Deformaciones de las base
6. Diseño Estructural del cimiento.
1. Tipo de Suelo y Estratigrafía
2. Magnitud de las Cargas
3. Excentricidad de las Cargas
4. Profundidad de Cimentación
5. Forma de la base de la Cimentación
6. Inclinación del Terreno.
7. Profundidad en el estrato resistente.
Factores que influyen
Requerimientos de Diseño
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Investigaciones geotécnicas, en función de:
• Etapa de proyecto.
• Tipo de obra.
• Importancia de la obra.
• Complejidad geotécnica.
Resultado obtenidos de las Investigaciones
• Los elementos litológicos existentes, sus condiciones de yacencia,
plegamientos, fallas, profundidad y potencia de los estratos.
• Agrietamiento y grado de descomposición de las rocas.
• Profundidad de las aguas subterráneas indicando su variación,
composición química y agresividad frente al hormigón y al acero.
Aspectos Geotécnicos en el dimensionamiento del área de la base.
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– Sismicidad del área.
– Fenómenos cársicos, deslizamientos y pantanos.
– Propiedades físico-mecánicas del suelo de cimentación.
– Trabajos hidrogeológicos.
– Propiedades físico – mecánicas de las rocas
– Trabajos geofísicos.
– Columnas litológicas.
– Condiciones de trabajo de la base de la cimentación.
– Posible profundidad de cimentación.
– Metodologías de las investigaciones según Normas.
– Resistencia (Rs´) para trabajo favorables y fallo leve.
Aspectos Geotécnicos en el dimensionamiento del área de la base.
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• Empleo de metodologías, según las normas vigentes.
• Ensayos de Penetración (estática o dinámica) y Métodos
Geofísicos:
• En obras de fallo leve
• Lugares de complejidad geotécnica favorables a normales
• Condiciones en que no sea posible el muestreo inalterado
Metodología para la determinación de los parámetros
físico y mecánicos de los suelos y rocas.
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• Diseño por estabilidad, 1er Estado Límite:
• Cargas de cálculo.- determinadas a partir de sus valores
característicos, aplicándole los coeficientes de carga f .
• Diseño por deformación, 2do Estado Límite:
• Valores característicos de las cargas.
Combinaciones de cargas para el diseño de las bases
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Notas:
• El diseño por estabilidad se realiza considerando, las combinaciones de cargas
permanentes y temporales de larga y corta duración.
• En cargas temporales especiales (viento extremo, sismos, explosiones, etc.) se
utilizarán: combinaciones con las cargas permanentes, las temporales de larga
duración, las cargas temporales de corta duración que físicamente pueden actuar
en conjunto con las cargas temporales especiales y una de las cargas temporales
especiales.
• En el diseño por deformación se considerarán las combinaciones de cargas con las
cargas permanentes y las cargas temporales de larga duración.
• En casos de suelos de consolidación rápida, debe incluirse la combinación de
carga anterior, las cargas temporales de corta duración que puedan provocar
deformaciones remanentes en los suelos.
• En el caso de construcciones de gran altura (edificios tipo torre, chimeneas, etc.),
es necesario tomar en cuenta el efecto del viento no extremo y extremo.
Combinaciones de cargas para el diseño de las bases
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Aspectos a considerar para evaluar la influencia de las aguas
subterráneas en el diseño:
1. Presencia o posible aparición de agua capilar.
2. Variación natural o artificial del nivel, durante el año.
3. Agresividad de las aguas, a los materiales de construcción.
4. Prever la utilización de materiales especiales en los cimientos.
5. Evaluar posibles derrumbes, e el proceso constructivo.
6. Evaluar el efecto de la subpresión.
Recomendaciones en presencia de
Aguas Subterráneas
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