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NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CIMENTACIONES
ÍNDICE
NOTACIÓN
1. CONSIDERACIONES GENERALES
1.1 Alcance 1.2 Unidades
2. INVESTIGACIÓN DEL SUBSUELO 2.1 Investigación de las colindancias 2.2 Reconocimiento del sitio 2.3 Exploraciones 2.4 Determinación de las propiedades en el laboratorio 2.5 Investigación del hundimiento regional 3. VERIFICACIÓN DE LA SEGURIDAD DE LAS CIMENTACIONES 3.1 Acciones de diseño 3.2 Factores de carga y de resistencia 3.3 Cimentaciones someras (zapatas y losas) 3.3.1 Estado límite de falla 3.3.2 Estado límite de servicio 3.4 Cimentaciones compensadas 3.4.1 Estados límite de falla 3.4.2 Estado límite de servicio 3.4.3 Presiones sobre muros exteriores sobre la sub estructura 3.5 Cimentaciones con pilotes o pilas 3.5.1 Estados límite de falla 3.5.2 Estado límite de servicio 3.5.3 Estimación de la fricción negativa 4. DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA CIMENTACIÓN 4.1 Condiciones de diseño 4.2 Cimentaciones someras 4.3 Pilas o pilotes 5. ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIONES 5.1 Estados límite de falla 5.1.1 Taludes 5.1.2 Falla por subpresión en estratos permeables 5.1.3 Estabilidad de excavaciones ademadas 5.1.4 Estabilidad de excavaciones vecinas 5.1.5 Fricción negativa 5.2 Estados límite de servicio 5.2.1 Expansiones instantáneas y diferidas por descarga 5.2.2 Asentamiento del terreno natural adyacente a las excavaciones 6. MUROS DE CONTENCIÓN 6.1 Estados límite de falla 6.1.1 Restricciones del movimiento del muro 6.1.2 Tipo de relleno 6.1.3 Compactación del relleno 6.1.4 Base del muro 6.2 Estados límite de servicio
7. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO
7.1 Procedimiento constructivo de cimentaciones 7.1.1 Cimentaciones someras 7.1.2 Plataformas de trabajo 7.1.3 Cimentaciones con pilotes o pilas 7.1.3.1 Pilas o pilotes colados en el lugar 7.1.3.2 Pilotes hincados a percusión 7.1.3.3 Pruebas de carga en pilotes o pilas 7.2 Excavaciones 7.2.1 Consideraciones generales 7.2.2 Control del flujo de agua 7.2.3 Tablestacas y muros colados en el lugar 7.2.4 Secuencia de excavación 7.2.5 Protección de taludes permanentes
**8. OBSERVACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA CIMENTACIÓN
- CIMENTACIONES ABANDONADAS
- CIMENTACIONES SOBRE RELLENOS CONTROLADOS
- RECIMENTACIONES
- MEMORIA DE DISEÑO**
NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CIMENTACIONES
NOTACIÓN
A área del cimiento A ’ área efectiva del cimiento AL área lateral de un pilote Ap área transversal de la base de la pila o del pilote AT área tributaria de pilotes o pilas B ancho de la cimentación o diámetro equivalente de la base de los pilotes o pilas B ’ ancho efectivo de la cimentación Cf capacidad de carga por adherencia lateral, para suelos cohesivos, o capacidad de carga por fricción lateral, para suelos friccionantes Cp capacidad de carga por punta CR coeficientes de reducción para el cálculo de la fricción negativa sobre pilas o pilotes apoyados en un estrato duro cu cohesión aparente determinada en ensaye triaxial no–consolidado no–drenado, (UU) D diámetro del pilote o pila Df profundidad de desplante Dperf diámetro de perforación previa Dr compacidad relativa E módulo de elasticidad del pilote e distancia a partir del eje longitudinal del cimiento en la que actúa la fuerza excéntrica resultante de las acciones sobre dicho cimiento eo relación de vacíos inicial FC factor de carga FR factor de resistencia, especificado en la sección 3. FN fricción negativa a lo largo del fuste de un pilote o pila FP fricción positiva a lo largo del fuste de un pilote o pila G módulo de rigidez al cortante del suelo H espesor de un estrato de suelo
1. CONSIDERACIONES GENERALES
1.1 Alcance
Las presentes Normas no son un manual de diseño y por tanto no son exhaustivas. Sólo tienen por objeto fijar criterios y métodos de diseño y construcción de cimentaciones que permitan cumplir los requisitos mínimos definidos en el Capítulo VIII del Título Sexto del Reglamento. Los aspectos no cubiertos por ellas quedan a criterio del Director Responsable de Obra y, en su caso, del Corresponsable en Seguridad Estructural y serán de su responsabilidad. El uso de criterios o métodos diferentes de los que aquí se presentan también puede ser aceptable, pero requerirá la aprobación expresa de la Administración.
1.2 Unidades
En los estudios para el diseño de cimentaciones, se usará un sistema de unidades coherente, de preferencia el Sistema Internacional (SI). Sin embargo, en este último caso, respetando la práctica común en mecánica de suelos en México, será aceptable usar como unidad de fuerza la tonelada métrica, que se considerará equivalente a 10 kN.
2. INVESTIGACIÓN DEL SUBSUELO
2.1 Investigación de las colindancias
Deberán investigarse el tipo y las condiciones de cimentación de las construcciones colindantes en cuanto a estabilidad, hundimientos, emersiones, agrietamientos del suelo y desplomes, y tomarse en cuenta en el diseño y construcción de la cimentación en proyecto.
Asimismo, se investigarán la localización y las características de las obras subterráneas cercanas, existentes o proyectadas, pertenecientes a la red de transporte colectivo, de drenaje y de otros servicios públicos, con objeto de verificar que la construcción no cause daños a tales instalaciones ni sea afectada por ellas.
2.2 Reconocimiento del sitio
Como lo define el artículo 170 del Capítulo VIII del Título Sexto del Reglamento, para fines de las presentes Normas, la Ciudad de México se divide en tres zonas con las siguientes características generales:
a) Zona I. Lomas, formadas por rocas o suelos generalmente firmes que fueron depositados fuera del ambiente lacustre, pero en los que pueden existir, superficialmente o intercalados, depósitos arenosos en estado suelto o cohesivos relativamente blandos. En esta zona, es frecuente la presencia de oquedades en rocas, de cavernas y túneles excavados en suelos para explotar minas de arena y de rellenos artificiales no controlados;
b) Zona II. Transición, en la que los depósitos profundos se encuentran a 20 m de profundidad, o menos, y que está constituida predominantemente por estratos arenosos y limo arenosos intercalados con capas de arcilla lacustre; el espesor de éstas es variable entre decenas de centímetros y pocos metros; y
c) Zona III. Lacustre, integrada por potentes depósitos de arcilla altamente compresibles, separados por capas arenosas con contenido diverso de limo o arcilla. Estas capas arenosas son en general medianamente compactas a muy compactas y de espesor variable de centímetros a varios metros. Los depósitos lacustres suelen estar cubiertos superficialmente por suelos aluviales, materiales desecados y rellenos artificiales; el espesor de este conjunto puede ser superior a 50 m.
En la figura 2.2.1 se muestran las porciones de la Ciudad de México cuyo subsuelo se conoce aproximadamente en cuanto a la zonificación anterior.
Figura 2.2.1 Zonificación geotécnica.
Esta figura solamente podrá usarse para definir la zona a la que pertenece un predio dado en el caso de las construcciones ligeras o medianas de poca extensión y con excavaciones someras definidas en el inciso a) de la tabla 2.3.1. En este caso, los predios ubicados cerca de las fronteras entre dos de las zonas se supondrán ubicados en la más desfavorable. En cualquier otro caso, la zona se definirá a partir de exploraciones directas del subsuelo.
La investigación del subsuelo del sitio mediante exploración de campo y pruebas de laboratorio se apoyará en el conocimiento geológico e histórico general y local que se tenga de la zona de interés y deberá ser suficiente para definir de manera confiable los parámetros de diseño de la cimentación y la variación de los mismos en el predio. Además, deberá permitir obtener información suficiente sobre los aspectos siguientes:
Tabla 2.3.1 Requisitos mínimos para la investigación del subsuelo
a) Construcciones ligeras o medianas de poca extensión y con excavaciones someras Son de esta categoría las edificaciones que cumplen con los siguientes tres requisitos: Peso unitario medio de la estructura w 40 kPa ( 4 t/m²) Perímetro de la construcción: P 80 m en las zonas I y II; o P 120 m en la zona III Profundidad de desplante Df 2.5 m
ZONA I
- Detección por procedimientos directos, eventualmente apoyados en métodos indirectos, de rellenos sueltos, galerías de minas, grietas y otras irregularidades.
- Pozos a cielo abierto para determinar la estratigrafía y propiedades de los materiales y definir la profundidad de desplante.
- En caso de considerarse en el diseño del cimiento un incremento neto de presión mayor de 80 kPa ( 8 t/m²), el valor recomendado deberá justificarse a partir de los resultados de las pruebas de laboratorio o de campo realizadas.
ZONA II
- Inspección superficial detallada después de limpieza y despalme del predio para detección de rellenos sueltos y grietas.
- Pozos a cielo abierto para determinar la estratigrafía y propiedades de los materiales y definir la profundidad de desplante.
- En caso de considerarse en el diseño del cimiento un incremento neto de presión mayor de 50 kPa ( 5 t/m²), bajo zapatas o de 20 kPa ( 2 t/m²), bajo losa general, el valor recomendado deberá justificarse a partir de análisis basados en los resultados de las pruebas de laboratorio o de campo realizadas.
ZONA III
- Inspección superficial detallada después de limpieza y despalme del predio para detección de rellenos sueltos y grietas.
- Pozos a cielo abierto complementados con exploraciones más profundas, por ejemplo con posteadora, para determinar la estratigrafía y propiedades de los materiales y definir la profundidad de desplante.
- En caso de considerarse en el diseño de cimiento un incremento neto de presión mayor de 40 kPa ( 4 t/m²), bajo zapatas o de 15 kPa ( 1.5 t/m²) bajo losa general, el valor recomendado deberá justificarse a partir de análisis basados en los resultados de las pruebas de laboratorio o de campo realizadas.
b) Construcciones pesadas, extensas o con excavaciones profundas Son de esta categoría las edificaciones que tienen al menos una de las siguientes características: Peso unitario medio de la estructura w > 40 kPa ( 4 t/m²) Perímetro de la construcción: P > 80 m en las Zonas I y II; o P > 120 m en la Zona III Profundidad de desplante Df > 2.5 m
ZONA I
- Detección, por procedimientos directos, eventualmente apoyados en métodos indirectos, de rellenos sueltos, galerías de minas, grietas y otras oquedades.
- Sondeos o pozos profundos a cielo abierto para determinar la estratigrafía y propiedades de los materiales y definir la profundidad de desplante. La profundidad de la exploración con respecto al nivel de desplante será al menos igual al ancho en planta del elemento de cimentación, pero deberá abarcar todos los estratos sueltos o compresibles que puedan afectar el comportamiento de la cimentación del edificio.
ZONA II
- Inspección superficial detallada después de limpieza y despalme del predio para detección de rellenos sueltos y grietas.
- Sondeos para determinar la estratigrafía y propiedades índice y mecánicas de los materiales del subsuelo y definir la profundidad de desplante mediante muestreo y/o pruebas de campo. En por lo menos uno de los sondeos, se obtendrá
un perfil estratigráfico continuo con la clasificación de los materiales encontrados y su contenido de agua. Además, se obtendrán muestras inalteradas de los estratos que puedan afectar el comportamiento de la cimentación. Los sondeos deberán realizarse en número suficiente para verificar si el subsuelo del predio es uniforme o definir sus variaciones dentro del área estudiada.
- En caso de cimentaciones profundas, investigación de la tendencia de los movimientos del subsuelo debidos a consolidación regional y determinación de las condiciones de presión del agua en el subsuelo, incluyendo detección de mantos acuíferos colgados.
ZONA III
- Inspección superficial detallada después de limpieza y despalme del medio para detección de rellenos sueltos y grietas.
- Sondeos para determinar la estratigrafía y propiedades índice y mecánicas de los materiales y definir la profundidad de desplante mediante muestreo y/o pruebas de campo. En por lo menos uno de los sondeos se obtendrá un perfil estratigráfico continuo con la clasificación de los materiales encontrados y su contenido de agua. Además, se obtendrán muestras inalteradas de los estratos que puedan afectar el comportamiento de la cimentación. Los sondeos deberán realizarse en número suficiente para verificar si el subsuelo del predio es uniforme o definir sus variaciones dentro del área estudiada.
- En caso de cimentaciones profundas, investigación de la tendencia de: a) los movimientos del subsuelo debidos a consolidación regional y b) las condiciones piezométricas en el subsuelo, incluyendo detección de mantos acuíferos colgados.
c) Los procedimientos para localizar rellenos artificiales, galerías de minas y otras oquedades deberán ser directos, es decir basados en observaciones y mediciones en las cavidades o en sondeos. Los métodos indirectos, incluyendo los geofísicos, solamente se emplearán como apoyo de las investigaciones directas.
d) Los sondeos a realizar podrán ser de los tipos indicados a continuación:
Sondeos con recuperación continua de muestras alteradas mediante la herramienta de penetración estándar. Servirán para evaluar la consistencia o compacidad de los materiales superficiales de la zona I y de los estratos resistentes de las zonas II y III. También se emplearán en las arcillas blandas de las zonas II y III con objeto de obtener un perfil continuo del contenido de agua y otras propiedades índice. No será aceptable realizar pruebas mecánicas usando especímenes obtenidos en dichos sondeos.
Sondeos mixtos con recuperación alternada de muestras inalteradas y alteradas en las zonas II y III. Sólo las primeras serán aceptables para determinar propiedades mecánicas. Las profundidades de muestreo inalterado se definirán a partir de perfiles de contenido de agua, determinados previamente mediante sondeos con recuperación de muestras alteradas.
Exploración continua o selectiva, mediante una determinada prueba de campo, con o sin recuperación de muestras, respetando en cada caso los procedimientos de ensaye e interpretación generalmente aceptados. Las pruebas de campo serán indispensables para los suelos en los que el muestreo de tipo inalterado resulte muy difícil o deficiente y en construcciones pesadas, extensas o con excavaciones profundas. Las pruebas podrán consistir en medir:
- El número de golpes requeridos para lograr, mediante impactos, cierta penetración de un muestreador estándar (prueba SPT) o de un dispositivo mecánico cónico (prueba dinámica de cono). En la interpretación de los resultados se aplicarán los factores de corrección apropiados para tomar en cuenta la energía efectivamente aplicada, la presencia del nivel freático, la profundidad de la prueba y otros factores. - La resistencia a la penetración de un cono mecánico o eléctrico u otro dispositivo similar (prueba estática de cono o prueba penetrométrica). Al ejecutar este tipo de prueba de campo, deberán respetarse los procedimientos generalmente aceptados, en particular en cuanto a la velocidad de penetración, la cual estará comprendida entre 1 y 2 cm/s. - La respuesta esfuerzo–deformación del suelo registrada al provocar la expansión de una cavidad cilíndrica, constituyendo un ensaye de carga estática en el sondeo en el que se conocen las condiciones en los límites (prueba presiométrica). Este tipo de prueba se considerará principalmente aplicable para los suelos firmes de la zona I o de los estratos duros de las zonas II y III. Permite obtener dos características del suelo, una de ruptura caracterizada por la presión límite y otra de deformación representada por el módulo presiométrico. A partir de estas características se podrá estimar la resistencia y deformabilidad de los materiales del subsuelo.
obtenidos están asociados a los niveles de deformación impuestos en cada aparato y pueden diferir de los prevalecientes en el campo.
A fin de especificar y controlar la compactación de los materiales cohesivos empleados en rellenos, se recurrirá a la prueba Proctor estándar. En el caso de materiales compactados con equipo muy pesado, se recurrirá a la prueba Proctor modificada o a otra prueba equivalente. La especificación y el control de compactación de materiales no cohesivos se basarán en el concepto de compacidad relativa.
2.5 Investigación del hundimiento regional
En las zonas II y III, se tomará en cuenta la información disponible respecto a la evolución del proceso de hundimiento regional que afecta la parte lacustre de la Ciudad de México y se preverán sus efectos a corto y largo plazo sobre el comportamiento de la cimentación en proyecto. Se recurrirá a las instituciones públicas (Comisión Nacional del Agua y Sistema de Aguas de la Ciudad de México) encargadas del seguimiento de este fenómeno para obtener esta información.
En edificaciones del grupo A y del subgrupo B1 (véase artículo 139 del Capítulo I del Título Sexto del Reglamento), la investigación respecto al fenómeno de hundimiento regional deberá hacerse por observación directa de piezómetros y bancos de nivel colocados con suficiente anticipación al inicio de la obra, a diferentes profundidades y hasta los estratos profundos, alejados de cargas, estructuras y excavaciones que alteren el proceso de consolidación natural del subsuelo. En el caso de los bancos de nivel profundos, se deberá garantizar que los efectos de la fricción negativa actuando sobre ellos no afectarán las observaciones.
3. VERIFICACIÓN DE LA SEGURIDAD DE LAS CIMENTACIONES
En el diseño de toda cimentación se considerarán los siguientes estados límite, además de los correspondientes a los miembros de la estructura:
a) De falla:
- Flotación;
- Falla local y general del suelo bajo la cimentación; y
- Falla estructural de pilotes, pilas u otros elementos de la cimentación.
La revisión de la seguridad de una cimentación ante estados límite de falla consistirá en comparar para cada elemento de la cimentación, y para ésta en su conjunto, la capacidad de carga del suelo con las acciones de diseño, afectando la capacidad de carga neta con un factor de resistencia y las acciones de diseño con sus respectivos factores de carga.
La capacidad de carga de los suelos de cimentación se calculará por métodos analíticos, numéricos o empíricos suficientemente apoyados en evidencias experimentales locales o a partir de pruebas de campo o de carga como se señala en las secciones 3.3 a 3.5. Tal capacidad se calculará a partir de la resistencia media del suelo a lo largo de la superficie potencial de falla correspondiente al mecanismo de falla más crítico.
En el cálculo se tomará en cuenta la interacción entre las diferentes partes de la cimentación, así como entre ésta y las cimentaciones vecinas.
Cuando en el subsuelo del sitio o en su vecindad existan rellenos sueltos, galerías, grietas u otras oquedades, éstos deberán tratarse apropiadamente o bien considerarse en el análisis de estabilidad de la cimentación.
b) De servicio:
- Movimiento vertical medio, asentamiento o emersión de la cimentación, con respecto al nivel del terreno circundante;
- Inclinación media de la construcción, y
- Deformación diferencial de la propia estructura y otras que pudieran resultar afectadas.
En cada uno de los movimientos, se considerarán el componente inmediato bajo carga estática, el accidental, principalmente por sismo, y el diferido, por consolidación, y la combinación de los tres. El valor esperado de cada uno de tales
movimientos deberá garantizar que no se causarán daños intolerables a la propia cimentación, a la superestructura y sus instalaciones, a los elementos no estructurales y acabados, a las construcciones vecinas ni a los servicios públicos.
Se prestará gran atención a la compatibilidad a corto y largo plazo del tipo de cimentación seleccionado con el de las estructuras vecinas.
La revisión de la cimentación ante estados límite de servicio se hará tomando en cuenta los límites indicados en la tabla 3.1.1.
3.1 Acciones de diseño
De acuerdo con lo señalado en el inciso 2.3 de las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones, las combinaciones de acciones a considerar en el diseño de cimentaciones serán las siguientes:
a) Primer tipo de combinación
Acciones permanentes más acciones variables. Con este tipo de combinación se revisarán tanto los estados límite de servicio como los de falla. Las acciones variables se considerarán con su intensidad media para fines de cálculos de asentamientos u otros movimientos a largo plazo. Para la revisión de estados límite de falla, se considerará la acción variable más desfavorable con su intensidad máxima y las acciones restantes con intensidad instantánea. Entre las acciones permanentes se incluirán el peso propio de los elementos estructurales de la cimentación, el peso de los rellenos y lastres que graviten sobre los elementos de la subestructura, incluyendo el agua en su caso, los empujes laterales sobre dichos elementos y toda otra acción que se genere sobre la propia cimentación o en su vecindad.
Tabla 3.1.1 Límites máximos para movimientos y deformaciones originados en la cimentación^1
a) Movimientos verticales (hundimiento o emersión) Concepto Límite En la zona I: Valor medio en el área ocupada por la construcción: Asentamiento: Construcciones aisladas Construcciones colindantes
50 mm (2) 25 mm
En las zonas II y III: Valor medio en el área ocupada por la construcción: Asentamiento: Construcciones aisladas Construcciones colindantes
Emersión: Construcciones aisladas Construcciones colindantes
Velocidad del componente diferido
300 mm (2) 150 mm
300 mm (2) 150 mm
10 mm/semana b) Inclinación media de la construcción
Tipo de daño Límite Observaciones
Inclinación visible 100 / (100 + 3 hc ) por ciento hc = altura de la construcción en m
Mal funcionamiento de grúas viajeras 0.3 por ciento En dirección longitudinal
c) Deformaciones diferenciales en la propia estructura y sus vecinas (véase tabla 6.2 de las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones) (^1) Comprende la suma de movimientos debidos a todas las combinaciones de carga que se especifican en el Reglamento y
las Normas Técnicas Complementarias. Los valores de la tabla son sólo límites máximos y en cada caso habrá que revisar que no se cause ninguno de los daños mencionados al principio de este Capítulo. (^2) En construcciones aisladas será aceptable un valor mayor si se toma en cuenta explícitamente en el diseño estructural de
los pilotes y de sus conexiones con la subestructura.
en la zona I, zapatas de colindancia desplantadas a menos de 5 m de profundidad en las zonas II y III y de los pilotes y pilas apoyados en un estrato friccionante; y
b) FR = 0.65 para los otros casos.
Los factores de resistencia se aplicarán a la capacidad de carga neta de las cimentaciones.
3.3 Cimentaciones someras (zapatas y losas)
3.3.1 Estados límite de falla
Para cimentaciones someras desplantadas en suelos, se verificará el cumplimiento de la desigualdad siguiente para las distintas combinaciones posibles de acciones verticales.
r A
Q FC
(3.3. 1 )
donde:
QFC es la suma de las acciones verticales a tomar en cuenta en la combinación considerada en el nivel de desplante, afectadas por su respectivo factor de carga; A es el área del elemento de cimentación; r es la capacidad de carga unitaria reducida (es decir afectada por el factor de resistencia correspondiente) de la cimentación.
Para evaluar r , se recurrirá a por lo menos dos de los métodos siguientes:
A) Métodos analíticos.
Este enfoque será aplicable solamente a suelos sensiblemente uniformes. En este caso, tomando en cuenta la existencia, especialmente en las zonas I y II, de materiales cementados frágiles que pueden perder su cohesión antes de que se alcance la deformación requerida para que se movilice su resistencia por fricción, se considerará en forma conservadora que los suelos son de tipo puramente cohesivo o puramente friccionante, dependiendo del nivel de deformación esperado. Se tendrá:
Para cimentaciones desplantadas en suelos cohesivos:
r c u Nc F R pv (3.3. 2 )
Para cimentaciones desplantadas en suelos friccionantes:
v ^ q ^ FR pv
BN r p N
2
1
donde:
es el peso volumétrico del suelo;
cu es la cohesión aparente determinada en ensaye triaxial no–consolidado no–drenado, (UU); B es el ancho de la cimentación; pv es la presión vertical total a la profundidad de desplante por peso propio del suelo;
pv es la presión vertical efectiva a la misma profundidad
Nc es el coeficiente de capacidad de carga dado por:
Nc = 5.14 (1 + 0.25 Df / B + 0.25 B / L ) (3.3.4)
para Df / B < 2 y B/L < 1 ;
donde Df es la profundidad de desplante y L la longitud del cimiento; en caso de que Df / B y B/L no cumplan con las desigualdades anteriores, dichas relaciones se considerarán iguales a 2 y a 1 , respectivamente;
Nq es el coeficiente de capacidad de carga dado por:
Nq = e^ tan^ ^ tan² (45° + /2) (3.3.5)
donde es el ángulo de fricción interna del material, que se define más adelante. El coeficiente Nq se multiplicará por:
1 +( B / L ) tan para cimientos rectangulares y por 1+tan para cimientos circulares o cuadrados;
N es el coeficiente de capacidad de carga dado por:
N = 2 ( Nq + 1 ) tan (3.3.6)
El coeficiente N se multiplicará por 1 – 0.4( B / L ) para cimientos rectangulares y por 0.6 para cimientos circulares o cuadrados; y
FR es el factor de resistencia especificado en la sección 3.2.
Al emplear las relaciones anteriores se tomará en cuenta lo siguiente:
a) El parámetro estará dado por:
= Ang tan ( tan * ) (3.3. 7 )
donde * es el ángulo con la horizontal de la envolvente de los círculos de Mohr a la falla en la prueba de resistencia que se
considere más representativa del comportamiento del suelo en las condiciones de trabajo. Esta prueba deberá considerar la posibilidad de que el suelo pierda parte de su resistencia.
Para suelos arenosos con compacidad relativa Dr menor de 67 por ciento, el coeficiente será igual a 0.67+ Dr – 0.75 Dr ². Para
suelos con compacidad mayor que el límite indicado, será igual a l.
b) La posición del nivel freático considerada para la evaluación de las propiedades mecánicas del suelo y de su peso volumétrico deberá ser la más desfavorable durante la vida útil de la estructura. En caso de que el ancho B de la cimentación sea mayor que la profundidad Z del nivel freático bajo el nivel de desplante de la misma, el peso volumétrico a considerar en la ecuación 3.3.3 será:
= ’+ ( Z / B ) ( m – ’) (3.3. 8 )
donde:
’ es el peso volumétrico sumergido del suelo entre las profundidades Z y ( B /2) tan(45º+ /2) ; y
m es el peso volumétrico total del suelo arriba del nivel freático.
c) En el caso de combinaciones de cargas (en particular las que incluyen solicitaciones sísmicas) que den lugar a fuerzas resultantes excéntricas actuando a una distancia e del eje longitudinal del cimiento, el ancho efectivo del mismo deberá considerarse igual a:
B ’ = B – 2 e (3.3. 9 )
E) Métodos de pruebas de carga en campo
Será aceptable estimar la resistencia unitaria reducida del suelo a partir de pruebas de carga realizadas in situ, siempre que la homogeneidad del suelo y el número de pruebas realizadas permitan extender los resultados a todos los elementos de la cimentación.
F) Métodos basados en la experiencia local
La revisión de la seguridad de cimentaciones no podrá basarse solamente en la experiencia local. Sin embargo, los resultados obtenidos por los métodos de los incisos anteriores deberán siempre compararse con la práctica local. Si los valores estimados de la capacidad de carga unitaria reducida r de la cimentación difieren significativamente de los valores generalmente aceptados, deberán presentarse en forma explícita los elementos que justifican esta diferencia.
Consideraciones adicionales:
No deberán cimentarse estructuras sobre zapatas aisladas en depósitos de limos no plásticos o arenas finas en estado suelto o saturado, susceptibles de presentar pérdida total o parcial de resistencia por generación de presión de poro o deformaciones volumétricas importantes bajo solicitaciones sísmicas. Asimismo, deberán tomarse en cuenta las pérdidas de resistencia o cambios volumétricos ocasionados por las vibraciones de maquinaria en la vecindad de las cimentaciones desplantadas en suelos no cohesivos de compacidad baja o media. Para condiciones severas de vibración, el factor de resistencia a considerar en las ecuaciones 3.3. 2 y 3.3.3, deberá tomarse igual a la mitad del definido en 3.2 para condiciones estáticas, a menos que se demuestre a satisfacción de la Administración, a partir de ensayes de laboratorio en muestras de suelo representativas, que es aplicable otro valor.
En caso de que se compruebe la existencia de galerías, grietas, cavernas u otras oquedades, éstas se considerarán en el cálculo de capacidad de carga. En su caso, deberán mejorarse las condiciones de estabilidad adoptándose una o varias de las siguientes medidas:
- Tratamiento por medio de rellenos compactados, inyecciones, etc.;
- Demolición o refuerzo de bóvedas; y/o
- Desplante bajo el piso de las cavidades.
3.3.2 Estados límite de servicio
Los asentamientos instantáneos de las cimentaciones bajo solicitaciones estáticas podrán calcularse en primera aproximación usando los resultados de la teoría de la elasticidad previa estimación de los parámetros elásticos del terreno, a partir de la experiencia local o de pruebas directas o indirectas. Para suelos granulares, se tomará en cuenta el incremento de la rigidez del suelo con la presión de confinamiento. Cuando el subsuelo esté constituido por estratos horizontales de características elásticas diferentes, será aceptable despreciar la influencia de las distintas rigideces de los estratos en la distribución de esfuerzos. El desplazamiento horizontal y el giro transitorios de la cimentación bajo las fuerzas cortantes y el momento de volteo correspondientes al segundo tipo de combinación de acciones, se calcularán, cuando proceda, como se indica en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo. La magnitud de las deformaciones permanentes que pueden presentarse bajo cargas accidentales cíclicas se podrá estimar con procedimientos de equilibrio límite para condiciones dinámicas.
Los asentamientos diferidos se calcularán por medio de la relación:
H
o
z e
e H 0 1
donde:
H es el asentamiento de un estrato de espesor^ H ; eo es la relación de vacíos inicial; e es la variación de 1a relación de vacíos bajo el incremento de esfuerzo efectivo vertical p inducido a la profundidad
z por la carga superficial. Esta variación se estimará a partir de pruebas de consolidación unidimensionales realizadas con muestras inalteradas representativas del material existente a esa profundidad; y z son los espesores de estratos elementales dentro de los cuales los esfuerzos pueden considerarse uniformes.
Los incrementos de presión vertical p inducidos por la carga superficial se calcularán con la teoría de la elasticidad a partir de las presiones transmitidas por la subestructura al suelo. Estas presiones se estimarán considerando hipótesis extremas de repartición de cargas o a partir de un análisis de la interacción estática suelo–estructura.
Para evaluar los movimientos diferenciales de la cimentación y los inducidos en construcciones vecinas, los asentamientos diferidos se calcularán en un número suficiente de puntos ubicados dentro y fuera del área cargada.
Como alternativa al procedimiento simplificado anterior, se podrá recurrir a modelado numérico para estimar los asentamientos, especialmente cuando las condiciones geométricas y de carga resulten complejas.
3.4 Cimentaciones compensadas
Se entiende por cimentaciones compensadas aquéllas en las que se busca reducir el incremento neto de carga aplicado al subsuelo mediante excavaciones del terreno y uso de un cajón desplantado a cierta profundidad. Según que el incremento neto de carga aplicado al suelo en la base del cajón resulte positivo, nulo o negativo, la cimentación se denomina parcialmente compensada, compensada o sobre–compensada, respectivamente.
Para el cálculo del incremento de carga transmitido por este tipo de cimentación y la revisión de los estados límite de servicio, el peso de la estructura a considerar será: la suma de la carga muerta, incluyendo el peso de la subestructura, más la carga viva con intensidad media, menos el peso total del suelo excavado. Esta combinación será afectada por un factor de carga unitario. El cálculo anterior deberá realizarse con precisión tomando en cuenta que los asentamientos son muy sensibles a pequeños incrementos de la carga neta. Además, en esta evaluación, deberán tomarse en cuenta los cambios posibles de materiales de construcción, de solución arquitectónica o de usos de la construcción susceptibles de modificar significativamente en el futuro dicha carga neta. Cuando la incertidumbre al respecto sea alta, la cimentación compensada deberá considerarse como poco confiable y deberá aplicarse un factor de carga mayor que la unidad, cuidando al mismo tiempo que no pueda presentarse una sobre–compensación excesiva, o adoptarse otro sistema de cimentación.
La porción de las celdas del cajón de cimentación que esté por debajo del nivel freático y que no constituya un espacio funcionalmente útil, deberá considerarse como llena de agua y el peso de esta deberá sumarse al de la subestructura, a menos que dicho espacio se rellene con material ligero no saturable que garantice la permanencia del efecto de flotación.
3.4.1 Estados límite de falla
La estabilidad de las cimentaciones compensadas se verificará como lo señala el inciso 3.3.1. Se comprobará además que no pueda ocurrir flotación de la cimentación durante ni después de la construcción. De ser necesario, se lastrará la construcción o se instalarán válvulas de alivio o dispositivos semejantes que garanticen que no se pueda producir la flotación. En la revisión por flotación, se considerará una posición conservadora del nivel freático.
Se prestará especial atención a la revisión de la posibilidad de falla local o generalizada del suelo bajo la combinación de carga que incluya el sismo.
3.4.2 Estados límite de servicio
Para este tipo de cimentación se calcularán:
a) Los movimientos instantáneos debidos a la carga total transmitida al suelo por la cimentación, incluyendo los debidos a la recarga del suelo anteriormente descargado por la excavación.
b) Las deformaciones transitorias y permanentes del suelo de cimentación bajo el segundo tipo de combinación de acciones. Se tomará en cuenta que las deformaciones permanentes tienden a ser críticas para cimentaciones con escaso margen de seguridad contra falla local o general y que los suelos arcillosos tienden a presentar grandes deformaciones permanentes
3.5.1 Estados límite de falla
Se verificará, para la cimentación en su conjunto, para cada uno de los diversos grupos de pilotes o pilas y para cada elemento individual, el cumplimiento de la desigualdad siguiente ante las distintas combinaciones de acciones verticales consideradas:
QFC R (3.5.1)
donde:
QFC es la suma de las acciones verticales a tomar en cuenta en la combinación considerada, afectada por su correspondiente factor de carga. Las acciones incluirán el peso propio de la subestructura y de los pilotes o pilas; R es la capacidad de carga reducida (es decir afectada por el factor de resistencia correspondiente), cuyo valor será:
- Para la revisión de cada pilote o pila individual, igual a la capacidad de carga de punta más la capacidad de adherencia del elemento considerado;
- Para la revisión de los diversos subgrupos de pilotes o pilas en que pueda subdividirse la cimentación, igual a la suma de las capacidades de carga individuales por punta más la capacidad de adherencia de una pila de geometría igual a la envolvente del subgrupo de elementos considerados; y
- Para la revisión de la cimentación en su conjunto, igual a la suma de las capacidades de carga individuales por punta de los pilotes o pilas más la capacidad de adherencia de una pila de geometría igual a la envolvente del conjunto de elementos considerados.
Para evaluar R , se recurrirá a alguno, y de preferencia a varios, de los métodos siguientes:
A) Métodos analíticos
a) La capacidad de carga por adherencia lateral, Cf , para suelos cohesivos se calculará como:
m
i
C (^) f PPFR icuiLi 1
donde:
PP es el perímetro del pilote o pila o de la envolvente del grupo o subgrupo de pilotes o pilas; FR se tomará igual a 0.65 , salvo para pilotes hincados en perforación previa (inciso 7.1.3.2); m número de estratos cohesivos a lo largo del fuste del pilote o pila; αi es el coeficiente de adherencia lateral elemento–suelo del estrato i ; cui es la cohesión media aparente determinada en ensaye triaxial no–consolidado no–drenado (UU) del estrato i ; Li es la longitud del pilote o pila correspondiente al estrato i ;
El coeficiente αi se calculará como:
ui
vi i (^) c
p
donde:
pvi es la presión vertical efectiva debida al peso del suelo a la profundidad media del estrato i ;
Los valores mínimos y máximos de αi serán de 0.3 y 1, respectivamente.
b) La capacidad de carga por fricción lateral, Cf , para suelos friccionantes, se calculará como:
m
i
C (^) f PPFR pvi iLi 1
donde:
FR se tomará igual a 0.65 ; m número de estratos friccionantes a lo largo del fuste del pilote o pila;
i es el coeficiente de fricción elemento-suelo en el estrato i , que se estimará como:
(^) i 1. 5 0. 24 zi ; 0. 25 1. (^2) (3.5.5)
donde:
zi es la profundidad media del estrato i.
Deberá considerarse que el valor límite de la resistencia unitaria en el fuste ( pvi i , de la ecuación 3.5.4) no podrá ser
superior a 200 kPa.
Para rellenos sueltos, basureros y en general para suelos de baja compacidad, no será aplicable la ecuación 3.5.5. En tales casos no se considerará el aporte de la fricción lateral a la capacidad de los pilotes o pilas. Para suelos arenosos con contenido de gravas superior al 25% o para gravas medianamente o muy compactas, podrán emplearse valores del coeficiente β superiores a 1.2, siempre y cuando se cuente con información experimental o con pruebas de carga que lo respalden.
c) La capacidad de carga por punta, Cp , para suelos cohesivos se calculará como:
C p c uNc * FR pv Ap (3.5.6)
donde:
Ap es el área transversal de la base de la pila o del pilote; pv es la presión vertical total debida al peso del suelo a la profundidad de desplante de los pilotes o pilas; FR se tomará igual a 0.65 ; cu es la cohesión aparente del suelo de apoyo determinada en ensaye triaxial no-consolidado no-drenado (UU) y Nc * es el coeficiente de capacidad de carga definido en la tabla 3.5.1.
_Tabla 3.5.1 Coeficiente Nc_*
u 0°^ 5°^ 10°
Nc * 7 9 13
u es el ángulo de fricción aparente;
d) La capacidad de carga de un pilote o pila, Cp , apoyado en un estrato friccionante, se calculará de preferencia a partir de los resultados de pruebas de campo calibradas mediante pruebas de carga realizadas sobre los propios pilotes o pilas (Método D). En las situaciones en las que se cuente con suficientes resultados de pruebas de laboratorio realizadas sobre muestras de buena calidad y que exista evidencia de que la capa de apoyo sea homogénea, la capacidad de carga podrá estimarse como sigue:
C p pvNq * FR pv Ap (3.5.7)
