ESTUDIO DE MECANICA DE SUELOS
UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL REGIÓN XALAPA “ANÁLISIS GEOTÉCNICOS PARA PROYECTO DE CINES EN LA CIUDAD DE RÍO BLANCO, VERACRUZ “ “MEMORIA PROFESIONAL” QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL PRESENTA María Imelda de Jesús Álvarez Cardona DIRECTOR Dr. Miguel Ángel Baltazar Zamora CODIRECTOR Dr. Ricardo Galvan Martínez Xalapa, Veracruz 2014 ÍNDICE PÁGINA Índice de tablas ii Índice de figuras iv Introducción 1 Justificación 1 Objetivos 2 Capítulo I.- Aspectos de Referencia 3 I.1 Aspectos Históricos 4 I.2 Aspectos Teóricos 8 Capítulo II.- Marco Metodológico 9 II.1 Trabajos de campo 10 II.2 Ensayes de Laboratorio 12 II.3 Características geotécnicas del suelo 15 Capítulo III.- Análisis Geotécnicos 18 III.1.- Capacidad de carga 19 III.2.- Asentamientos 22 III.3.- Módulos de reacción 33 III.4.- Estabilidad de cortes provisionales 35 III.5.- Presiones 38 Capítulo IV.- Conclusiones y recomendaciones 42 IV.1.- Conclusiones 43 IV.2.- Recomendaciones 43 Bibliografía 45 Anexos 48 a) Perfiles estratigráficos 49 b) Reporte fotográfico 53 c) Recopilación de resultados 73 i ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla II.1.1.- Características de los sondeos 10 Tabla II.2.1.- Resultados de los ensayes de laboratorio del sondeo SMC-UNO 13 Tabla II.2.2.- Resultados de los ensayes de laboratorio del sondeo SMC-DOS 14 Tabla II.3.1.- Características geotécnicas del estrato A 15 Tabla II.3.2.- Características geotécnicas del estrato B 15 Tabla II.3.3.- Características geotécnicas del estrato C 16 Tabla II.3.4.- Características geotécnicas del estrato D 16 Tabla III.1.1.- Determinación de la capacidad de carga a diferentes 20 profundidades de desplante en terreno natural Tabla III.1.2.- Determinación de la capacidad de carga con diferentes espesores 20 de mejoramiento tomándolo desde el nivel de terreno natural Tabla III.1.3.- Determinación de la capacidad de carga a un desplante de 1.00 metro con diferentes espesores de mejoramiento tomándolo a partir del nivel de desplante 21 Tabla III.1.4.- Determinación de la capacidad de carga a un desplante de 1.50 metros con diferentes espesores de mejoramiento tomándolo a partir del nivel de desplante 22 Tabla III.2.1.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro en terreno natural en el sondeo uno 25 Tabla III.2.2.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro en terreno natural en el sondeo dos 25 Tabla III.2.3.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros en terreno natural en el sondeo uno 26 Tabla III.2.4.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros en terreno natural en el sondeo dos 26 Tabla III.2.5.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 3.0 metros en terreno natural en el sondeo uno 27 Tabla III.2.6.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 27 3.0 metros en terreno natural en el sondeo dos ii Tabla III.2.7.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros en terreno natural en el sondeo uno 28 Tabla III.2.8.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros en terreno natural en el sondeo dos 28 Tabla III.2.9.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno 29 Tabla III.2.10.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos 29 Tabla III.2.11.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno 30 Tabla III.2.12.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos 30 Tabla III.2.13.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 3.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno 31 Tabla III.2.14.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 3.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos 31 Tabla III.2.15.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno 32 Tabla III.2.16.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos 32 Tabla III.3.1.- Determinación del módulo de reacción para un desplante sobre el terreno natural 34 Tabla III.3.2.- Determinación del módulo de reacción para un desplante sobre un mejoramiento de suelo de 1.00 metro de espesor 34 Tabla A.- Capacidad de carga a diferentes profundidades de desplante en terreno natural y en un espesor de mejoramiento variable 74 Tabla B.- Asentamientos para diferentes anchos de cimentación (de 1.00 a 4.00 metros), en terreno natural 74 Tabla C.- Asentamientos para diferentes anchos de cimentación (de 1.00 a 4.00 metros), en mejoramiento de suelo en un espesor de 1.0 metro 75 iii Tabla D.- Estabilidad de los cortes temporales, a corto plazo para condiciones estáticas y sísmicas ÍNDICE DE FIGURAS 75 PÁGINA Figura I.1.- Ubicación del sitio en estudio 4 Figura I.2.- Condiciones geológicas del sitio en estudio 6 Figura I.3.- Zonificación Sísmica de la República Mexicana 6 Figura I.4.- Gráficas para la determinación del valor de aceleración máxima 7 Figura III.4.1.- Análisis de estabilidad para la condición normal o estática del talud vertical 36 Figura III.4.2.- Análisis de estabilidad para la condición extrema en la ocurrencia de un sismo (seudoestático) para el talud vertical. 37 Figura III.4.3.- Análisis de estabilidad para la condición normal o estática del talud 1:1 (H:V). 37 Figura III.4.4.- Análisis de estabilidad para la condición extrema en la ocurrencia de un sismo (seudoestático) para el talud 1:1 (H:V). 38 Figura III.5.1.- Diagrama de presión de tierra total 40 Figura III.5.2.- Diagramas de presiones bajo las diferentes condiciones de análisis 41 iv INTRODUCCIÓN A principios del siglo XX surge la necesidad de dar soluciones con fundamento técnico a los problemas referentes al comportamiento del suelo ante los eventos de carácter extraordinario, ya que la experiencia empírica que hasta entonces era utilizada como herramienta principal en la proyección de la cimentación de las construcciones, no da solución a todos los casos, sobre todo ante las cada vez más grandes y complejas obras de ingeniería que, a su vez representaban un mayor riesgo, tanto en seguridad como en economía; surgiendo en 1925 una ciencia aplicada conocida como mecánica de suelos, la cual estudia sus propiedades físicas y el comportamiento de masas de suelos sometidas a varios tipos de fuerzas [1]. De esta manera, los resultados de los ensayos realizados a los suelos (a pequeña escala), así como los análisis geotécnicos, proporcionan la información para la predicción del comportamiento de las estructuras que conforman un proyecto; sin embargo, y a pesar de los avances en la creación de equipos para la ejecución de dichos ensayes y de las teorías para la elaboración de los análisis, aún quedan espacios por cubrir en cuanto al conocimiento, debido a la compleja naturaleza de los suelos, lo que de algún modo limita la aplicación de los métodos establecidos y propicia que el criterio del ingeniero a cargo del estudio influya significativamente en los resultados finales. Esta tesis está basada en un proyecto que se planea construir en una zona en la que se localizan rellenos de material producto de la demolición de estructuras anteriores o cercanas (situación común) y con diferencias de resistencia importante entre los sondeos. JUSTIFICACIÓN Como parte del desarrollo económico de la ciudad de Río Blanco, Veracruz, la iniciativa privada tiene proyectada la construcción de dos salas de cine, mismas que forman parte de una serie de locales comerciales, para lo que es necesario el 1 análisis geotécnico del subsuelo, para obtener los elementos de diseño de la cimentación [2]. OBJETIVOS El objetivo principal es el sustento geotécnico para el diseño de la cimentación de las salas de cine, determinando las características y propiedades del subsuelo para obtener los parámetros de análisis, que en conjunto con las condiciones de proyecto, establezcan los sistemas que garanticen la estabilidad de su cimentación, realizando lo siguiente: a) Análisis de la información resultante de la campaña de exploración y los ensayes de laboratorio, para definir las unidades estratigráficas de la zona explorada y establecer los parámetros de resistencia del subsuelo. b) Análisis geotécnicos para la determinación de la capacidad de carga y los asentamientos, módulos de reacción, estabilidad de cortes y presiones del subsuelo. c) Recomendar lineamientos generales de carácter geotécnico, tomando en cuenta las condiciones generales del sitio y las características del elemento a construir. 2 CAPÍTULO I.- ASPECTOS DE REFERENCIA 3 I.1 ASPECTOS HISTÓRICOS. Ubicación El predio donde se proyecta la construcción de los cines, se localiza sobre la carretera federal Orizaba-Tehuacán, en la localidad y municipio de Río Blanco, Veracruz. Su ubicación geográfica de acuerdo a la cartografía del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), corresponde a los 18°50'08.64" de latitud norte 97°08'47.77" de longitud oeste [3], a continuación se muestra su ubicación: PREDIO DONDE SE PROYECTAN LOS CINES Figura I.1.1.- Ubicación del sitio en estudio [Google earth, 2013]. 4 Topografía. El municipio de Río Blanco presenta dos tipos de relieve, la primera que se conforma por las zonas accidentadas en la que se encuentra el cerro del Borrego y el de Santa Catarina, con pendientes superiores al 30%, y la zona semiplana creada por el Río Blanco con pendientes predominantes del 5 y el 15% donde se encuentra asentada la ciudad. Particularmente, el sitio donde se planea la construcción del cine se localiza en un terreno prácticamente plano [3]. Condiciones geológicas. El sitio de estudio se ubica entre de las provincias fisiográficas de las cordilleras de la Sierra Madre del Sur, la Sierra Madre Oriental y el eje volcánico denominado "Cañón de Río Blanco", sobre una formación de roca ígnea de tipo extrusivo, andesitas y basaltos, que data de principios del Mioceno sin presentar fallas ni fisuras importantes [4]; se caracteriza por la presencia de Sierras alargadas en el sentido sureste – noroeste (SE-NW), separadas por valles angostos. La geología regional en el sitio de estudio, se ubica en un periodo del cuaternario, donde se identifica la siguiente unidad estratigráfica: Lahar - Arena, Qpt Lh-ar: Se sitúa en el eje volcánico transmexicano, constituido por suelos limosos de color oscuro, con horizontes areno–gravosos, subyaciendo en varios lugares a derrames básicos del Pleistoceno. Específicamente en el sitio de estudio, se detectó limo de baja a alta plasticidad, de color café, con horizontes de arena con gravas, con un relleno de escombro mezclado con limo en la superficie. La unidad estratigráfica descrita en este párrafo se ilustra en la siguiente imagen: 5 ZONA DE ESTUDIO Figura I.1.2.- Condiciones geológicas del sitio en estudio [SGM, 2013]. Aspectos sismológicos. El territorio de la República Mexicana se divide en 5 zonas sísmicas, identificadas con las letras “A” a la “E”. Dichas zonas han sido definidas por el riesgo sísmico que existe en cada una de ellas, siendo la zona “A” la de menor riesgo y la “D” la de mayor riesgo, la zona E es una zona especial definida para el Distrito Federal y los municipios aledaños (Norma SCT N-PRY-CAR-6-01-005/01). El proyecto de los cines en Río Blanco, se localiza en la zona sísmica “B”, como se observa en la siguiente figura: Municipio de Río Blanco, Ver. Figura I.1.3.- Zonificación Sísmica de la República Mexicana [CFE, 1993]. 6 Para determinar el efecto de amplificación dinámica, ocasionado por los materiales que conforman el subsuelo, se han definido tres tipos de suelos con efectos de amplificación, catalogados como tipo I, tipo II y tipo III, siendo el tipo I el de menor amplificación y el III el caso más crítico y de mayor amplificación; siendo que el material encontrado en el sitio de estudio se ajusta a la clasificación tipo III. A partir de la clasificación de la zona sísmica y tipo de suelo según la amplificación dinámica, se determinó que el valor de aceleración máxima en superficie para diseño del proyecto es de 0.401g. Dicho valor se extrajo mediante el programa de diseño sísmico PRODISIS. A continuación se muestran las gráficas resultantes para su determinación: C=0.401g Figura I.1.4.- Gráficas para la determinación del valor de aceleración máxima [PRODISIS CFE, 2008]. 7 I.2 ASPECTOS TEÓRICOS. Para la ejecución de los cálculos geotécnicos se tomaron en cuenta las siguientes consideraciones, basadas en las indicaciones del proyectista: Para fines de cálculo se consideró una cimentación del tipo superficial a base de zapatas corridas (para conocer los diferentes asentamientos dependiendo el ancho). Los análisis se realizaron en base a la estratigrafía de los sondeos exploratorios y a los ensayes mecánicos efectuados en el laboratorio, utilizando también las correlaciones empíricas de la prueba de penetración estándar (SPT). Debido a las características geotécnicas detectadas en el sitio, se analizaron dos condiciones: la primera, con desplante de la estructura en terreno natural y la segunda con el desplante sobre un mejoramiento de suelo. Los análisis geotécnicos se efectuaron considerando al nivel de terreno actual como nivel cero. El valor de capacidad de carga requerida por el proyectista es de 10 ton/m 2. 8 CAPÍTULO II.- MARCO METODOLÓGICO 9 II.1 TRABAJOS DE CAMPO. La exploración del subsuelo se realizó a través de dos sondeos mixtos continuos, distribuidos estratégicamente en los puntos de la zona de proyecto, como se aprecia X X X X X X X X X X X X X en la siguiente imagen: X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X SMC-UNO SMC-DOS X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X SMC-UNO X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X SMC-CUATRO X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X SMC-TRES X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X La denominación, coordenadas de ubicación, nivel de aguas freáticas y profundidad de exploración de cada sondeo realizado, se presentan en la tabla II.1.1. Tabla II.1.1.- Características de los sondeos. Denominación Coordenadas geográficas Nivel de aguas freáticas (m) Profundidad (m) SMC-UNO 97°08’45.6” W 18°50’08.3” N 7.00 10.20 SMC-DOS 97°08’46.9” W 18°50’07.2” N 6.50 10.20 10 En la ejecución de los sondeos se empleó una máquina perforadora, de la marca ACKER ACE, equipada con bomba para lodos y barras de perforación de diámetro AW. En toda la longitud del sondeo se utilizó el procedimiento de penetración estándar, intercalándose con tubo Shelby de pared delgada para la recuperación de muestras inalteradas en donde el suelo lo permitió, y empleo del barril NQ para cortar en los fragmentos de roca detectados. La aplicación del ensaye de penetración estándar, se efectuó siguiendo los lineamientos de la norma ASTM D1586 [5], que consiste en dejar caer libremente desde una altura de 30” (76 centímetros) un martinete con un peso de 140 lbs. (63.5 kg), sobre un yunque acoplado a una sarta de tubería de perforación y en cuyo extremo inferior se encuentra el penetrómetro. De esta manera se estimó la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, a través del número de golpes necesarios para hincar las 12” (30 centímetros) intermedias del penetrómetro. El tubo de pared delgada tipo Shelby consiste en un tubo metálico de 10 centímetros (4 pulgadas) de diámetro, un metro de largo y uno punto cinco milímetros de espesor, achaflanado en la parte inferior y ligeramente ensanchado en la parte superior, que a su vez se conecta a un cabezal con válvula de balín. El muestreo se realiza, según lo indicado en la norma ASTM D1587 [6], hincando a presión el tubo sobre el suelo; una vez que el tubo Shelby se llena del material muestreado, se deja unos segundos en reposo, para propiciar la adherencia del material al tubo; posteriormente se extrae a la superficie, se le retira el azolve y se cubren ambos extremos debidamente, para mantener el contenido de humedad natural de la muestra, evitando así alteraciones en las propiedades de la muestra que pudieran influir en los resultados de los ensayes de laboratorio. Al detectarse boleos o fragmentos de roca se obtuvieron núcleos por medio de rotación con barril tipo NQ provisto de broca de diamante, de acuerdo con lo establecido en la norma ASTM D-2113 [7]. 11 Las muestras alteradas recuperadas en cada sondeo, se protegieron por medio de bolsas de polipropileno para ser transportadas y ensayadas en el laboratorio, evitando así la perdida de humedad durante su traslado. II.2 ENSAYES DE LABORATORIO. Conforme a los tipos de materiales obtenidos durante la exploración del subsuelo, se realizaron los siguientes ensayes de laboratorio a cada una de las muestras seleccionadas, en apego a la normatividad de la ASTM correspondiente a cada uno de los ensayes efectuados. a) Clasificación visual y al tacto ASTM - D2488 [8] b) Contenido natural de agua ASTM - D2216 [9] c) Contenido de finos con la técnica de pérdida por lavado ASTM – D1140 [10] d) Límites de consistencia ASTM - D4318 [11] e) Clasificación de suelos para propósitos de ingeniería ASTM – D2487 [12] f) Masa específica de sólidos ASTM – D854 [13] g) Composición granulométrica ASTM- D422 [14] h) Ensaye triaxial no consolidado no drenado ASTM- D2850 [15] i) Consolidación unidimensional ASTM – D2435 [16] En las tablas II.2.1 y II.2.2, se muestra el resumen de los resultados de los ensayes de laboratorio. 12 Tabla II.2.1.- Resultados de los ensayes de laboratorio del sondeo SMC-UNO. RESULTADOS DE ENSAYES DE LABORATORIO OBRA: ESTUDIO GEOTÉCNICO PARA CONSTRUCCIÓN DE CINES UBICACIÓN: EN RÍO BLANCO, VER. FECHA: octubre-13 P oz o/ Mues t ra P rof undidad. % w % LL % LP % IP s ondeo N° m Contenido Limite Limite Índice de agua Líquido Plastico Plástico Inic ial SMC-UNO EN RÍO BLANCO, VER. % G % A % F Porcentaje Porcentaje Porcentaje de grava de arena S UCS Ss Clasificacion Densidad de c F E g solidos k g/ c m 2 grados k g/ c m 2 k g/ m 3 Cohesión Ángulo de fricción Modulo de Volumétrico Relación de interna elasticidad natural vacios nat. 1780 1.34 de finos Final MA-01 0.00 0.60 23.10 0.00 0.00 0.00 0 0 0 MA-02 0.60 1.20 33.50 44.80 27.90 16.90 0 5 95 ML MA-03 1.20 1.80 7.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MI-04 1.80 2.40 36.80 59.60 34.80 24.80 0 20 80 MH MA-05 2.40 3.00 17.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-06 3.00 3.60 18.50 0.00 0.00 0.00 25 66 9 SW MA-07 3.60 4.20 --- 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-08 4.20 4.80 19.50 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-09 4.80 5.40 30.70 0.00 0.00 0.00 1 89 10 SP MA-10 5.40 6.00 30.50 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-11 6.00 6.60 26.90 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-12 6.60 7.20 43.60 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-13 7.20 7.80 48.30 55.80 32.30 23.50 0 24 76 MH MI-14 7.80 8.40 52.80 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-15 8.40 9.00 50.30 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-16 9.00 9.60 55.70 77.90 40.10 37.80 0 7 93 MH MA-17 9.60 10.20 55.70 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 P A RA ME TROS GE OTÉ CNICOS e0 Peso 0.00 2.592 2.594 1720 0.42 10.00 35.21 1720 1.28 1738 2.607 13 Tabla II.2.2.- Resultados de los ensayes de laboratorio del sondeo SMC-DOS. RESULTADOS DE ENSAYES DE LABORATORIO OBRA: ESTUDIO GEOTÉCNICO PARA CONSTRUCCIÓN DE CINES UBICACIÓN: EN RÍO BLANCO, VER. FECHA: noviembre-13 P oz o/ Mues t ra P rof undidad. % w % LL % LP % IP s ondeo N° m Contenido Limite Limite Índice de agua Líquido Plastico Plástico Inic ial SMC-DOS EN RÍO BLANCO, VER. % G % A % F Porcentaje Porcentaje Porcentaje de grava de arena S UCS Ss Clasificacion Densidad de c F E g solidos k g/ c m 2 grados k g/ c m 2 k g/ m 3 Cohesión Ángulo de fricción Modulo de Volumétrico Relación de interna elasticidad natural vacios nat. 13.50 34.56 1608 1.19 1829 0.959 de finos Final MA-01 0.00 0.60 24.80 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-02 0.60 1.10 --- 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-03 1.10 1.30 11.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-04 1.30 1.60 --- 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MI-05 1.60 1.80 45.30 29.00 23.50 5.50 0 24 76 ML MA-06 1.80 2.40 39.70 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-07 2.40 3.00 32.90 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-08 3.00 3.60 21.10 0.00 0.00 0.00 1 89 10 SP MA-09 3.60 4.20 31.70 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MI-10 4.20 4.80 30.40 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-11 4.80 5.40 25.00 22.60 0.00 22.60 0 77 23 SM MA-12 5.40 6.00 27.20 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-13 6.00 6.60 26.90 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-14 6.60 7.20 48.40 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-15 7.20 7.80 58.10 73.90 40.00 33.90 0 7 93 MH MA-16 7.80 8.40 51.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-17 8.40 9.00 49.90 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-18 9.00 9.60 53.10 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-19 9.60 10.20 59.80 51.30 34.20 17.10 0 4 96 MH MA-00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 MA-00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00 2.545 P A RA ME TROS GE OTÉ CNICOS 0.35 e0 Peso 2.629 1735 2.578 1686 14 II.3 CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS DEL SUELO. En este apartado se describe la secuencia estratigráfica del subsuelo en la zona de estudio, indicando las propiedades geotécnicas de cada estrato definido, mostrando al final de la descripción una tabla de las propiedades índice del subsuelo correspondiente. ESTRATO A. Limo con fragmentos de escombro (espesores de 1.60 a 1.80 m) Este estrato se localizó en ambos sondeos y se presenta fragmentos de roca caliza, basáltica y escombro, con limo de baja plasticidad, color café oscuro. Las propiedades geotécnicas del limo se muestran en la siguiente tabla: Tabla II.3.1.- Características geotécnicas del estrato A W LL LP G A F 7.00-33.50% 44.80% 27.90% 0 5% 95% ESTRATO B. Limo de alta y baja plasticidad (MH y ML) (espesores de 1.20 a 1.40 metros) Continuando al estrato A, se presenta este estrato de limo de alta plasticidad (sondeo SMC-UNO) y de baja plasticidad (sondeo SMC-DOS) de consistencia blanda, color café oscuro, con gravillas. Las propiedades geotécnicas de este material se muestran en la siguiente tabla: Tabla II.3.2.- Características geotécnicas del estrato B W LL LP G A F 17.00-45.30% 29.00-59.60% 25.30-34.80% 0% 20-24% 76-80% 15 ESTRATO C. Arena mal graduada y arena limosa (SP y SM) (espesores de 3.00 a 3.60 metros) Este estrato presenta una compacidad suelta, de grano fino a medio, color café claro, de manera particular en el sondeo SMC-UNO, solo se presentó arena mal graduada con pocos finos, mientras en el sondeo SMC-DOS, de 4.20 a 6.60 se presento arena limosa con lentes de limo arenoso. Las propiedades geotécnicas de este material se muestran en la siguiente tabla: Tabla II.3.3.- Características geotécnicas del estrato C W LL LP G A F 18.50-31.70% --- --- 0-25% 66-89% 9-23% ESTRATO D. Limo de alta plasticidad (MH) (espesores de 3.60 a 4.20 metros, limitado por la exploración) Finalmente y bajo al estrato C, se detectó este limo de alta plasticidad de consistencia media, colores café rojizo y café, con motas color gris al final del estrato, café rojizas y café grisáceo, el espesor de este estrato está limitado por la profundidad máxima explorada de 10.20 metros. Las propiedades geotécnicas de este material se muestran en la siguiente tabla: Tabla II.3.4.- Características geotécnicas del estrato D W LL LP G A F 26.90-59.80% 51.30-77.90% 32.30-40.10% 0% 4-24% 76-96% 16 Simbología: N= Número de golpes de la prueba de penetración estándar %= Porcentaje de humedad LL= Límite líquido LP= Límite plástico %F= Contenido de finos %A= Contenido de arena %G= Contenido de grava Al momento de la exploración el nivel de aguas freáticas se detectó a 7.00 y 6.50 metros en el sondeo SMC-UNO y SMC-DOS, respectivamente. 17 CAPÍTULO III.- ANÁLISIS GEOTÉCNICOS 18 En este capítulo se muestran las fórmulas y teorías empleadas para cada uno de los análisis realizados, así como algunas consideraciones particulares para cada caso. III.1 CAPACIDAD DE CARGA. La capacidad de carga se evaluó mediante la expresión general de Hansen [17], considerando al subsuelo cohesivo – friccionante, la cual se presenta a continuación: qadm = (c Nc sc dc + q Nq sq dq + 0.5g B NgsgdgFs En la que: qadm Capacidad de carga admisible. q Presión vertical efectiva a la profundidad de desplante por peso propio del suelo. Nc Nq, Ng Factores de capacidad de carga, de Hansen sc, sq,sg Factores de forma, proporcionados por Hansen dc, dq,dg Factores de profundidad proporcionados por Hansen g Peso volumétrico del subsuelo de apoyo B Base Tomando en cuenta lo anterior, la estratigrafía detectada durante los trabajos de exploración del subsuelo de la zona, y considerando un factor de seguridad mínimo aceptable de FS=3, se analizaron tres diferentes opciones de desplante para alcanzar la capacidad de carga solicitada por el proyectista, como se especifica a continuación en cada punto: 19 Determinación de la capacidad de carga en terreno natural con desplantes de 1.80, 3.00 y 4.00 metros: Tabla III.1.1.- Determinación de la capacidad de carga a diferentes profundidades de desplante en terreno natural. Elemento Desplante (m) Cimentación 1.80 3.00 4.00 Capacidad de carga Q adm 2 (ton/m ) 7.43 8.61 10.80 Factor de seguridad 3 3 3 Debe quedar claro que de ninguna manera se recomienda el desplante de la cimentación sobre el terreno natural, debido a las características desfavorables que presenta el subsuelo de la zona. Determinación de la capacidad de carga con mejoramiento desde la superficie de terreno natural con espesores de 1.80, 2.00 y 2.20 metros: Tabla III.1.2.- Determinación de la capacidad de carga con diferentes espesores de mejoramiento tomándolo desde el nivel de terreno natural. Elemento Cimentación Desplante (m) Superficial Espesor de mejoramiento (m) 1.80 2.00 2.20 Capacidad de carga 2 Q adm (ton/m ) Factor de seguridad 10.51 11.98 13.73 3 3 3 20 Determinación de la capacidad de carga a un desplante de 1.00 metro de profundidad medido a partir del nivel de terreno natural y con mejoramiento de suelo a partir del desplante con espesores de 1.00, 1.20 y 1.50 metros: Tabla III.1.3.- Determinación de la capacidad de carga a un desplante de 1.00 metro con diferentes espesores de mejoramiento tomándolo a partir del nivel de desplante. Elemento Cimentación Desplante (m) 1.00 Espesor de mejoramiento (m) 1.00 1.20 1.50 Capacidad de carga 2 Q adm (ton/m ) Factor de seguridad 10.37 11.55 13.67 3 3 3 21 Determinación de la capacidad de carga a un desplante de 1.50 metros de profundidad medido a partir del nivel de terreno natural y con mejoramiento de suelo a partir del desplante con espesores de 0.50, 0.70 y 1.00 metros: Tabla III.1.4.- Determinación de la capacidad de carga a un desplante de 1.50 metros con diferentes espesores de mejoramiento tomándolo a partir del nivel de desplante. Elemento Desplante (m) Cimentación 1.50 Espesor de mejoramiento (m) 0.50 0.70 1.00 Capacidad de carga 2 Q adm (ton/m ) Factor de seguridad 9.17 10.15 11.89 3 3 3 Todos los análisis de capacidad de carga se realizaron considerando el retiro del relleno existente (conformado por escombro). III.2 ASENTAMIENTOS. Los asentamientos se evaluaron por medio de la teoría elástica y por la de consolidación de Terzaghi, como se describe a continuación. 22 Asentamiento elástico. Se calcularon los asentamientos de tipo elástico, debido a la descarga al subsuelo de la estructura del cine, empleando la siguiente expresión [17]: 1 2 H q0 B Es ' 1 2 I 2 I F I1 1 Dónde: qo Presión de contacto. B’ Ancho del área cargada. L’ Largo del área cargada. Relación de Poisson del depósito de apoyo. Es Módulo de elasticidad del depósito de apoyo. I1, I2 e IF Factores de influencia que dependen de la relación L’/B’, del espesor del estrato H, de la relación de Poisson y de la profundidad de desplante D. Los Factores de Influencia I1 e I2 se calculan usando las siguientes ecuaciones: I1 1 (1 M 2 1) M 2 N 2 ( M M 2 1) 1 N 2 ln M ln M (1 M 2 N 2 1 M M 2 N 2 1 I2 N tan 1 2 N N 2 1 M M 2 (tan -1 en radianes) Donde : L' M , B' N H B' Donde el Factor IF se obtiene a partir de la Figura 5-7 de la bibliografía de Joseph E. Bowles [17]: 23 Asentamiento por consolidación. Debido a que la estructura estará asentada también sobre suelos finos y muy compresibles, se evaluó el asentamiento total mediante la teoría de consolidación de Terzaghi, empleando para ello las correlaciones de la prueba de penetración estándar realizada en campo y los resultados del ensaye de consolidación unidimensional efectuados en el laboratorio, determinándose así el coeficiente de variación volumétrica (mv). Los análisis se basaron en la teoría de Terzaghi, por medio de la siguiente expresión [18]: S = HmvP En la que: S, asentamiento diferido por consolidación, cm H, espesor del estrato, cm mv, módulo de variación volumétrica del estrato, cm2/kg P, incremento de esfuerzos en el estrato debido a la sobrecarga, kg/cm 2 De esta manera se calcularon los asentamientos totales que se presentaran, considerando para ello varias descargas. Los asentamientos se calcularon para los anchos de 1.00, 2.00, 3.00 y 4.00 metros para cada uno de los sondeos, con la finalidad de determinar la deformación diferencial que pudiera existir entre ellos, considerando dos condiciones: a) desplante sobre terreno natural y b) desplante sobre un mejoramiento de suelo de por lo menos 1.00 metro de espesor, se tomó en cuenta un descarga de 10.0 ton/m² entre sondeos (en ambos casos retirando el espesor total de escombro detectado). Asentamiento con desplante en terreno natural A continuación se presentan los asentamientos en terreno natural resultantes en cada uno de los sondeos, para anchos entre 1.0 y 4.0 metros. 24 Tabla III.2.1.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro en terreno natural en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 20.43 Cimentación SMC-UNO 1.00 10.00 6.00 2.00 14.36 6.23 2.08 Asentamiento total (cm) 2.0 2.00 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 2.08 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.23 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 14.36 11.00 12.00 13.00 14.00 20.43 Tabla III.2.2.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro en terreno natural en el sondeo dos. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 22.86 Cimentación SMC-DOS 1.00 10.00 6.00 2.00 16.12 8.14 2.73 Asentamiento total (cm) 2.0 2.00 3.00 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 2.73 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.00 8.14 7.00 8.00 9.00 10.00 16.12 11.00 12.00 13.00 14.00 22.86 25 Tabla III.2.3.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros en terreno natural en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 33.10 Cimentación SMC-UNO 2.00 10.00 6.00 2.00 18.06 10.83 3.61 Asentamiento total (cm) 2.0 4.0 2.00 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 32.0 34.0 3.61 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 10.83 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 18.06 11.00 12.00 13.00 33.10 14.00 Tabla III.2.4.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros en terreno natural en el sondeo dos. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 39.16 Cimentación SMC-DOS 2.00 10.00 6.00 2.00 23.12 13.87 4.62 Asentamiento total (cm) 2.0 2.00 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 32.0 34.0 36.0 38.0 40.0 4.62 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.00 13.87 7.00 8.00 9.00 10.00 23.12 11.00 12.00 13.00 14.00 39.16 26 Tabla III.2.5.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 3.0 metros en terreno natural en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 45.21 Cimentación SMC-UNO 3.00 10.00 6.00 2.00 34.94 19.95 5.72 Asentamiento total (cm) 5.0 2.00 9.0 13.0 17.0 21.0 25.0 29.0 33.0 37.0 41.0 45.0 5.72 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 19.95 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 34.94 11.00 12.00 13.00 45.21 14.00 Tabla III.2.6.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 3.0 metros en terreno natural en el sondeo dos. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 53.32 Cimentación SMC-DOS 3.00 10.00 6.00 2.00 40.52 23.26 6.79 Asentamiento total (cm) 6.0 2.00 10.0 14.0 18.0 22.0 26.0 30.0 34.0 38.0 42.0 46.0 50.0 54.0 6.79 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.00 23.26 7.00 8.00 9.00 10.00 40.52 11.00 12.00 13.00 14.00 53.32 27 Tabla III.2.7.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros en terreno natural en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 57.26 Cimentación SMC-UNO 4.00 10.00 6.00 2.00 42.63 23.91 7.85 Asentamiento total (cm) 7.0 2.00 10.0 13.0 16.0 19.0 22.0 25.0 28.0 31.0 34.0 37.0 40.0 43.0 46.0 49.0 52.0 55.0 58.0 7.85 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 23.91 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 42.63 11.00 12.00 13.00 57.26 14.00 Tabla III.2.8.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros en terreno natural en el sondeo dos. No de Sondeo Elemento Cimentación SMC-DOS Base (m) 4.00 Descarga 2 (ton/m ) Asentamiento total (cm) 14.00 69.36 10.00 50.08 6.00 29.09 2.00 8.92 Asentamiento total (cm) 7.0 2.00 10.0 13.0 16.0 19.0 22.0 25.0 28.0 31.0 34.0 37.0 40.0 43.0 46.0 49.0 52.0 55.0 58.0 61.0 64.0 67.0 70.0 8.92 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.00 29.09 7.00 8.00 9.00 10.00 50.08 11.00 12.00 13.00 14.00 69.36 28 Desplante sobre mejoramiento de suelo de 1.00 metro de espesor Se presentan a continuación los asentamientos calculados, considerando un mejoramiento de 1.00 metro de espesor, tanto en el sondeo número uno como en el dos, para anchos de 1.0 a 4.0 metros. Tabla III.2.9.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 17.61 Cimentación SMC-UNO 1.00 10.00 6.00 2.00 11.17 4.59 1.53 Asentamiento total (cm) 1.0 2.00 3.00 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 1.53 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.00 4.59 7.00 8.00 9.00 11.17 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 17.61 Tabla III.2.10.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 1.0 metro asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 19.64 Cimentación SMC-DOS 1.00 10.00 6.00 2.00 12.61 6.19 2.07 29 Asentamiento total (cm) 2.0 2.00 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 2.07 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.19 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 12.61 11.00 12.00 13.00 19.64 14.00 Tabla III.2.11.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 27.38 Cimentación SMC-UNO 2.00 10.00 6.00 2.00 14.50 8.76 2.92 Asentamiento total (cm) 2.0 2.00 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 2.92 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 8.76 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 14.50 11.00 12.00 13.00 27.38 14.00 Tabla III.2.12.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 2.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 32.52 Cimentación SMC-DOS 2.00 10.00 6.00 2.00 18.77 11.26 3.75 30 Asentamiento total (cm) 2.0 2.00 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 32.0 34.0 3.75 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 11.26 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 18.77 11.00 12.00 13.00 32.52 14.00 Tabla III.2.13.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 3.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 38.60 Cimentación SMC-UNO 3.00 10.00 6.00 2.00 29.98 17.07 4.87 Asentamiento total (cm) 4.0 2.00 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 32.0 36.0 40.0 4.87 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 17.07 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 29.98 11.00 12.00 13.00 38.60 14.00 Tabla III.2.14.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 3.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 45.49 Cimentación o terraplén SMC-DOS 3.00 10.00 6.00 2.00 34.74 19.92 5.78 31 Asentamiento total (cm) 5.0 2.00 9.0 13.0 17.0 21.0 25.0 29.0 33.0 37.0 41.0 45.0 5.78 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 19.92 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 34.74 11.00 12.00 13.00 45.49 14.00 Tabla III.2.15.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo uno. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 50.21 Cimentación SMC-UNO 4.00 10.00 6.00 2.00 37.43 20.95 6.87 Asentamiento total (cm) 6.0 2.00 9.0 12.0 15.0 18.0 21.0 24.0 27.0 30.0 33.0 36.0 39.0 42.0 45.0 48.0 51.0 6.87 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 20.95 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 37.43 11.00 12.00 13.00 50.21 14.00 Tabla III.2.16.- Determinación del asentamiento total para un ancho promedio de 4.0 metros asentado sobre un mejoramiento de suelo en el sondeo dos. Elemento No de Sondeo Base (m) Descarga 2 (ton/m ) 14.00 Asentamiento total (cm) 60.73 Cimentación SMC-DOS 4.00 10.00 6.00 2.00 43.88 25.48 7.79 32 Asentamiento total (cm) 7.0 2.00 10.0 13.0 16.0 19.0 22.0 25.0 28.0 31.0 34.0 37.0 40.0 43.0 46.0 49.0 52.0 55.0 58.0 61.0 7.79 3.00 4.00 Descarga (Ton/m²) 5.00 6.00 25.48 7.00 8.00 9.00 10.00 43.88 11.00 12.00 13.00 60.73 14.00 Se determinó que aproximadamente del 25% de los asentamientos totales obtenidos para la cimentaciones desplantadas en terreno natural se presentaran a corto plazo, prácticamente durante el proceso de construcción de la obra; mientras que en las cimentaciones sobre un mejoramiento de suelo (un metro de espesor de mejoramiento), del 26 al 29% (SMC-UNO y SMC-DOS ,respectivamente) de los asentamientos totales obtenidos, se presentará durante el proceso constructivo (asentamiento inmediato), y el resto para todos los casos se dará a largo plazo por consolidación. III.3 MÓDULOS DE REACCIÓN. El módulo de reacción se calculó para el diseño estructural de la losa de cimentación, determinándose mediante la siguiente ecuación [17]: ks En la que: ks: Módulo de reacción q: Presión de contacto q δ: Asentamientos totales a presentarse (deformación elástica más el asentamiento diferido). 33 Los módulos de reacción del suelo se determinaron considerando una descarga máxima de 10.0 ton/m² (información proporcionada por el proyectista). De acuerdo a los parámetros mecánicos obtenidos y a la fórmula antes mencionada, se obtuvo el módulo de reacción del suelo, correspondiente para cada caso, es decir, considerando el desplante sobre terreno natural y sobre un mejoramiento de suelo, tal como se muestra en las siguientes tablas: Tabla III.3.1.- Determinación del módulo de reacción para un desplante sobre el terreno natural. Estructura Sondeo Asentamiento total (cm) Módulo de reacción (kg/cm³) 14.36 0.06960 18.06 0.05537 34.94 0.02862 4.00 42.63 0.02345 1.00 16.12 0.06203 23.12 0.04325 40.52 0.02468 50.08 0.01997 Base (m) Descarga (ton/m²) 1.00 Cimentación Cimentación SMC-UNO SMC-DOS 2.00 3.00 2.00 3.00 10.00 10.00 4.00 Tabla III.3.2.- Determinación del módulo de reacción para un desplante sobre un mejoramiento de suelo de 1.00 metro de espesor. Estructura Sondeo Asentamiento total (cm) Módulo de reacción (kg/cm³) 13.28 0.07530 14.50 0.06896 29.98 0.03335 4.00 37.43 0.02672 1.00 12.61 0.07930 18.77 0.05376 34.74 0.02878 43.88 0.02279 Base (m) Descarga (ton/m²) 1.00 Cimentación Cimentación SMC-UNO SMC-DOS 2.00 3.00 2.00 3.00 4.00 10.00 10.00 34
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