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10 GACETA OFICIAL DE LA CIUDAD DE MÉXICO 15 de diciembre de 2017
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
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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
9. CIMENTACIONES ABANDONADAS
10. CIMENTACIONES SOBRE RELLENOS CONTROLADOS
11. RECIMENTACIONES
12. 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 hc altura de la construcción hi espesor de una capa impermeable hw altura piezométrica en el lecho inferior de una capa impermeable I momento de inercia de la sección transversal de un pilote K coeficiente de reacción horizontal del suelo L longitud del pilote o pila L‘ longitud efectiva de una cimentación Le longitud de un pilote o pila empotrada en el estrato resistente m número de estratos a lo largo del fuste del pilote o pila N número entero determinado por tanteo que genere el menor valor de Pc Nc coeficiente de capacidad de carga, dado por Nc = 5.14(1 + 0.25Df /B + 0.25B / L) Nc* (^) coeficiente de capacidad de carga, cuyo valor depende de u Nmáx , Nmín coeficientes para el cálculo de Nq*
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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.
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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:
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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.
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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. - El coeficiente de esfuerzos horizontales y un módulo de deformación, a partir del hincado de una paleta gruesa de acero que se expande a presión en el suelo (dilatómetro). Este tipo de prueba queda limitado por la posibilidad del hincado de la paleta de acero. - La resistencia al corte del suelo al extraer una sonda, que previamente se expande dentro del sondeo, midiendo la fuerza necesaria que induce la falla del suelo en una condición de deformación controlada (ficómetro). Este tipo de prueba se considerará principalmente aplicable para determinar las características de los suelos firmes de la zona I o de los estratos duros de las zonas II y III. - La resistencia al cortante del suelo, deducida al hincar en el suelo un dispositivo que se hace girar y moviliza la resistencia al corte del cilindro de revolución que se genera en la masa de suelo (prueba de veleta o similar). Este tipo de prueba se considerará principalmente aplicable a los suelos blandos de las zonas II y III.
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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.
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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 + 3hc) 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.
b) Segundo tipo de combinación
Acciones permanentes más acciones variables con intensidad instantánea y acciones accidentales (viento o sismo). Con este tipo de combinación se revisarán los estados límite de falla y los estados límite de servicio asociados a deformaciones transitorias y permanentes del suelo bajo carga accidental.
La magnitud de las acciones sobre la cimentación provenientes de la estructura se obtendrá en primera aproximación como resultado directo del análisis de ésta. Para fines de diseño de la estructura y de la cimentación, la fijación de la magnitud de todas las acciones pertinentes y de su distribución será responsabilidad conjunta de los diseñadores de la estructura y de la cimentación. Se estimarán con especial cuidado las concentraciones de carga que pueden generar en ciertas partes específicas de la cimentación los elementos más pesados de la estructura (salientes, muros de fachada, cisternas, etc.) y que son susceptibles de inducir fallas locales o generales del suelo.
Congruentemente con lo especificado en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo respecto a efectos bidireccionales, para la revisión de los estados límite de falla de una cimentación bajo este tipo de solicitación, se deberán considerar las acciones sísmicas de la siguiente forma: 100 por ciento del sismo en una dirección y 30 por ciento en la dirección perpendicular a ella, con los signos que para cada concepto resulten desfavorables y se repetirá este procedimiento en la otra dirección.
Para una evaluación más precisa de las acciones accidentales por sismo al nivel de la cimentación, será válido apoyarse en un análisis de interacción dinámica suelo–estructura recurriendo a métodos analíticos o numéricos aceptados para este fin. Se podrá usar en particular el método del capítulo 8 de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo.
Además de las acciones anteriores, se considerarán las otras señaladas en las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones.
Se calcularán y tomarán explícitamente en cuenta en el diseño el cortante en la base de la estructura y los momentos de volteo debidos tanto a excentricidad de cargas verticales respecto al centroide del área de cimentación como a solicitaciones horizontales.
c) Fricción negativa
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Para cimentaciones desplantadas en suelos friccionantes:
v ^ q ^ FR pv
BN
r p N
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 + 0.25Df /B + 0.25B/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–0.75Dr². 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.
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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 )
Un criterio análogo se aplicará en la dirección longitudinal del cimiento para tomar en cuenta la excentricidad respectiva. Cuando se presente doble excentricidad (alrededor de los ejes X y Y), se tomarán las dimensiones reducidas en forma simultánea, y el área efectiva del cimiento será A‘ = B‘ L‘.
Para tomar en cuenta, en su caso, la fuerza cortante al nivel de la cimentación, se multiplicarán los coeficientes Nq y Nc de las ecuaciones 3.3.4 y 3.3.5 por (1 – tan )², donde es la inclinación de la resultante de las acciones respecto a la vertical.
d) En el caso de cimentaciones sobre un estrato de suelo uniforme de espesor H bajo el nivel de desplante y que a su vez esté apoyado sobre un estrato blando, se seguirá el criterio siguiente:
Si H 3.5B se ignorará el efecto del estrato blando en la capacidad de carga.
Si 3.5B > H 1.5B se verificará la capacidad de carga del estrato blando suponiendo que el ancho del área cargada es B+H.
3 )
Si H < 1.5B se verificará la capacidad de carga del estrato blando suponiendo que el ancho del área cargada es:
B [ l + 2/ 3 ( H / B )²] (3.3. 10 )
En el caso de cimientos rectangulares se aplicará a la dimensión longitudinal un criterio análogo al anterior.
B) Métodos basados en pruebas de campo
Para evaluar la capacidad de carga unitaria reducida de las cimentaciones, será también aceptable recurrir a los resultados de pruebas de campo respaldados por evidencias experimentales confirmadas en los suelos de la Ciudad de México (inciso 2.3.d.3). Estas pruebas podrán usarse para determinar los valores de los parámetros del suelo a introducir en las ecuaciones del apartado A) o, en caso de que la prueba lo permita, directamente para obtener el valor de la capacidad de carga unitaria, la cual se afectará por el factor de resistencia que señala la sección 3.2 para obtener el valor de r.
C) Métodos de análisis límite
En el caso de cimentaciones desplantadas en un subsuelo heterogéneo o agrietado para el cual no sea aplicable el mecanismo de falla por corte general implícito en las ecuaciones del apartado A), se verificará la estabilidad de la cimentación recurriendo a un método de análisis límite considerando mecanismos de falla compatibles con el perfil estratigráfico. Además de la falla global, se estudiarán las posibles fallas locales, es decir aquellas que pueden afectar solamente una parte del suelo que soporta el cimiento, y la posible extrusión de estratos muy blandos.
En el caso de cimentaciones sobre taludes se verificará asimismo la estabilidad de la cimentación y del talud recurriendo a un método de análisis límite considerando mecanismos de falla compatibles con el perfil de suelos y, en su caso, con el agrietamiento existente.
En las verificaciones anteriores, el momento o la fuerza resistente será afectado por el factor de resistencia que señala la sección 3.2. Las fuerzas motrices asociadas a peso propio del suelo serán afectadas por un factor de carga unitario. Las fuerzas sísmicas serán por su parte afectadas por el factor de carga indicado en 3.2.
D) Métodos de modelación numérica.
Convendrá recurrir a modelaciones numéricas (método de los elementos finitos o similares) para revisar la seguridad de las cimentaciones cuando las condiciones geométricas y estratigráficas del problema sean complejas. Las acciones asociadas a peso propio del suelo se considerarán con factor de carga unitario. Las demás acciones serán afectadas por el factor de carga indicado en 3.2. La resistencia límite se determinará aumentando las acciones por ensaye y error para definir la carga que provoca un mecanismo de falla. La carga unitaria alcanzada será afectada por el factor de reducción de la sección 3.2 para obtener el valor de r.
El modelo constitutivo que se emplee debe ser representativo del comportamiento de los suelos involucrados en el análisis. Asimismo, todas las propiedades que se utilicen deben estar respaldadas experimentalmente mediante pruebas de laboratorio, de campo y/o de carga.
E) Métodos de pruebas de carga en campo
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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 bajo la combinación de carga estática más carga sísmica cíclica cuando se alcanza un esfuerzo cortante superior al 90 por ciento de la resistencia estática no–drenada.
c) Los movimientos diferidos debidos al incremento o decremento neto de carga en el contacto cimentación–suelo.
Los movimientos instantáneos y los debidos a sismo se calcularán en la forma indicada en el inciso 3.3.1 tomando en cuenta, además, el hundimiento regional. Se tomará en cuenta que las cimentaciones sobrecompensadas en la zona lacustre tienden a presentar una emersión aparente mucho mayor y más prolongada en el tiempo que la atribuible a las deformaciones elásticas y a los cambios volumétricos inducidos por la descarga. Esto es consecuencia de la interacción entre la descarga y el hundimiento regional, que disminuye localmente por estar el suelo preconsolidado por descarga. En la zona III y en presencia de consolidación regional la sobre-compensación no será superior a 10 kPa (1 t/m²) a menos que se demuestre que un valor mayor no dará lugar a una emersión inaceptable ni a daños a construcciones vecinas o servicios públicos.
En el diseño y construcción de estas cimentaciones deberá tenerse presente que los resultados obtenidos dependerán en gran medida del cuidado puesto al hacer la excavación (Capítulo 5).
3.4.3 Presiones sobre muros exteriores de la subestructura
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En los muros de retención perimetrales se considerarán empujes horizontales a largo plazo no inferiores a los del agua y del suelo en estado de reposo, adicionando los debidos a cimientos vecinos y a sobrecargas permanentes y accidentales en la superficie del terreno. La presión horizontal efectiva transmitida por el terreno en estado de reposo se considerará por lo menos igual a 50 por ciento de la presión vertical efectiva actuante a la misma profundidad, salvo para rellenos compactados contra muros, caso en el que se considerará por lo menos 70 por ciento de la presión vertical. Las presiones horizontales atribuibles a sobrecargas podrán estimarse por medio de la teoría de la elasticidad. En caso de que el diseño considere absorber fuerzas horizontales por contacto lateral entre subestructura y suelo, la resistencia del suelo considerada no deberá ser superior al empuje pasivo afectado de un factor de resistencia de 0.35, siempre que el suelo circundante esté constituido por materiales naturales o por rellenos bien compactados. Los muros perimetrales y elementos estructurales que transmiten dicho empuje deberán diseñarse expresamente para esa solicitación.
Se tomarán medidas para que, entre las cimentaciones de estructuras contiguas no se desarrollen fuerzas que puedan dañar a cualquiera de las dos como consecuencia de posibles movimientos relativos.
3.5 Cimentaciones con pilotes o pilas
Los pilotes y pilas son cimentaciones del tipo profundo que generalmente complementan una cimentación somera o semiprofunda. Comúnmente, en la ciudad de México se emplean para este fin pilotes de concreto prefabricados e hincados con o sin perforación previa y pilotes o pilas colados en perforación previa con o sin ademe. Generalmente, se llama pilas a los elementos de más de 600 mm de diámetro colados en perforación previa.
En suelos blandos en proceso de consolidación como los de las zonas II y III, los pilotes o pilas se usan comúnmente como complemento de cimentaciones parcialmente compensada para reducir asentamientos, transfiriendo parte de la carga a los estratos más profundos (diseño en términos de deformaciones). En este caso, los pilotes o pilas no tienen generalmente la capacidad para soportar por sí solos el peso de la construcción y trabajan al límite en condiciones estáticas, por lo que no pueden contribuir a tomar solicitaciones accidentales e inclusive pueden, de acuerdo con la experiencia, perder una parte importante de su capacidad de carga en condiciones sísmicas, por lo que resulta prudente ignorar su contribución a la capacidad de carga global. Opcionalmente, pueden usarse para soportar el peso total de la estructura y asegurar su estabilidad (diseño en términos de capacidad de carga). En este último caso, la losa suele separarse con el tiempo del suelo de apoyo, por lo que es prudente suponer que no contribuye a la capacidad de carga global.
En el caso de la zona I, los pilotes o pilas se emplean comúnmente para atravesar depósitos arenosos superficiales en estado suelto o cohesivos relativamente blandos y rellenos no controlados. Por tanto su diseño se hace en términos de capacidad de carga.
En cualquier caso, se verificará que la cimentación no exceda los estados límites de falla ni los de servicio.
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:
Q FC 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
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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 A p (3.5.7)
donde:
pv es la presión vertical efectiva debida al peso del suelo a la profundidad de desplante de los pilotes o pilas; Nq* es el coeficiente de capacidad de carga definido por:
máx mín q mín e
N N
N * N L
4B tan(45 / 2)
cuando Le / B 4 tan (45°+ /2); o bien
Nq * = Nmáx (3.5.9)
cuando Le / B > 4 tan (45°+ /2)
Tabla 3.5.2 Valor de Nmáx y Nmín para el cálculo de Nq*
Nmáx 12.5 26 55 132 350 1000 Nmín 7 11.5 20 39 78 130
Le es la longitud del pilote o pila empotrada en el estrato friccionante; B es el ancho o diámetro equivalente de los pilotes; es el ángulo de fricción interna, con la definición del inciso 3.3.1.A.a; y FR se tomará igual a 0.35.
B) Métodos basados en pruebas de campo
Para evaluar la capacidad de carga reducida de cimentaciones a base de pilotes o pilas, será también aceptable recurrir a los resultados de pruebas de campo respaldados por evidencias experimentales confirmadas en los suelos de la Ciudad de México (inciso 2.3.d.3). Estas pruebas podrán usarse para determinar los valores de los parámetros del suelo por usarse en las ecuaciones del apartado A) o, en caso de que la prueba lo permita, directamente para obtener el valor de la capacidad de carga, la cual se afectará por el factor de resistencia que señala la sección 3.2 para obtener el valor de R.
C) Métodos de análisis límite
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En el caso de cimentaciones desplantadas en un subsuelo heterogéneo o agrietado para el cual no sea aplicable el mecanismo de falla por corte general implícito en las ecuaciones del apartado A), se verificará la estabilidad de la cimentación recurriendo a un método de análisis límite considerando mecanismos de falla compatibles con el perfil estratigráfico. Además de la falla global, se estudiarán las posibles fallas locales, es decir aquellas que pueden afectar solamente una parte del suelo que soporta el cimiento, y la posible extrusión de estratos muy blandos.
En el caso de cimentaciones sobre taludes se verificará asimismo la estabilidad de la cimentación y del talud recurriendo a un método de análisis límite considerando mecanismos de falla compatibles con el perfil de suelos y, en su caso, con el agrietamiento existente.
En las verificaciones anteriores, el momento o la fuerza resistente será afectado por el factor de resistencia que señala la sección 3.2. Las fuerzas motrices asociadas a peso propio del suelo serán afectadas por un factor de carga unitario. Las fuerzas sísmicas serán por su parte afectadas por el factor de carga indicado en 3.2.
D) Métodos de modelación numérica
Convendrá recurrir a modelaciones numéricas (método de los elementos finitos o similares) para revisar la seguridad de las cimentaciones a base de pilotes o pilas cuando las condiciones geométricas y estratigráficas del problema sean complejas. Las acciones asociadas a peso propio del suelo se considerarán con factor de carga unitario. Las demás acciones serán afectadas por el factor de carga indicado en 3.2. La resistencia límite se determinará aumentando las acciones por ensaye y error para definir la carga que provoca un mecanismo de falla. La carga alcanzada será afectada por el factor de reducción de la sección 3.2 para obtener el valor de R.
El modelo y las relaciones constitutivas que se empleen deben ser representativos del comportamiento de los suelos involucrados en el análisis. Asimismo, todas las propiedades que se utilicen deben estar respaldadas experimentalmente mediante pruebas de laboratorio, de campo y/o de carga.
E) Métodos basados en pruebas de carga en campo
Las estimaciones de la resistencia reducida de pilotes o pilas basadas en pruebas de campo o en cálculos analíticos se verificarán mediante pruebas de carga cuando exista incertidumbre excesiva sobre las propiedades de los suelos involucrados y la edificación sea de los grupos A o B1. Los pilotes o pilas ensayados se llevarán a la falla o hasta 1.5 veces la capacidad de carga calculada. En las zonas II y III, la prueba se realizará al menos dos meses después de la hinca, con el objeto de permitir la disipación del exceso de presión de poro que se induce al instalar los pilotes y la recuperación de la resistencia del suelo en su estado natural por efectos tixotrópicos. En pruebas de pilotes o pilas que recargan su punta en un estrato friccionante, deberá aislarse la punta del fuste para medir en forma separada la fricción o adherencia lateral, o bien instrumentarse la punta para medir la carga en la punta.
F) Métodos basados en la experiencia local
La revisión de la seguridad de cimentaciones sobre pilotes o pilas 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 reducida R del pilote o pila difieren significativamente de los valores generalmente aceptados, deberán presentarse en forma explícita los elementos que justifican esta diferencia.
Consideraciones adicionales:
La capacidad de carga considerada no deberá rebasar la capacidad estructural intrínseca del pilote o pila calculada con la resistencia admisible del material constitutivo del elemento.
En suelos blandos en proceso de consolidación, como los de las zonas II y III, de acuerdo con el tipo de diseño adoptado (sección 3.5), la revisión de los estados límite de falla podrá consistir en verificar que alguna de las capacidades de carga siguientes resulta suficiente para asegurar la estabilidad de la construcción:
a) Capacidad de carga del sistema suelo–zapatas o suelo–losa de cimentación.
Despreciando la capacidad de los pilotes o pilas, se verificará entonces el cumplimiento de la desigualdad 3.3.1. En tal caso, la losa o las zapatas y las contratrabes deberán diseñarse estructuralmente para soportar las presiones de contacto suelo-zapata o suelo-losa máximas calculadas, más las concentraciones locales de carga correspondientes a la capacidad de carga total de cada pilote o pila dada por la ecuación 3.5.1 con un factor de resistencia FR igual a 1.0.
b) Capacidad de carga del sistema suelo–pilotes o suelo-pilas.
Despreciando la capacidad del sistema suelo–losa, se verificará entonces el cumplimiento de la desigualdad 3.5.1.
