Fundamentos de ingeniería de cimentaciones Braja M. Das Séptima edición Contenido i Fundamentos de ingeniería de cimentaciones Séptima edición BRAJA M. DAS ���������������������������������������������������������������������������������������������� Traducción: Ing. Javier León Cárdenas Profesor de Ciencias Básicas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional Revisión Técnica: Ing. Miguel Ángel Gómez Casillas Presidente de la asignatura de Cimentaciones Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Campus Zacatenco Instituto Politécnico Nacional Fundamentos de ingeniería de cimentaciones Séptima edición. Braja M. Das Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: �������������������������� Gerente editorial para Latinoamérica: ���������������� Gerente de procesos para Latinoamérica: �������������������� Gerente de manufactura para Latinoamérica: ������������������������ Coordinadora de producción editorial: ����������������� Coordinador de manufactura: ��������������������� Editores: ���������������������������� ��������������������� Diseño de portada: ����������������������� Imagen de portada: ���������������������������������� �������������������������������� ��������������������������� Composición tipográfica: ���������������������������� © D.R. 2012 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning™ es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo, amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información, a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Principles of Foundation Engineering, SI Seventh Edition Braja M. Das Publicado en inglés por Cengage Learning © 2011 ISBN 13: 978-0-495-66812-1 ISBN 10: 0-495-66812-5 Datos para catalogación bibliográfica: Braja M. Das Fundamentos de ingeniería de cimentaciones Séptima edición Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com ����������������� 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 ISBN: 987-607-481-823-9 A nuestra nieta, Elizabeth Madison Prefacio xv v Contenido 1 Propiedades geotécnicas del suelo 1 1.1 Introducción 1 1.2 Distribución granulométrica 2 1.3 Límites del tamaño para suelos 5 1.4 Relaciones peso-volumen 5 1.5 Densidad relativa 10 1.6 Límites de Atterberg 15 1.7 Índice de liquidez16 1.8 Actividad 17 1.9 Sistemas de clasificación de suelos 17 1.10 Permeabilidad hidráulica del suelo 25 1.11 Filtración en régimen establecido 28 1.12 Esfuerzo efectivo 30 1.13 Consolidación 32 1.14 Cálculo del asentamiento por consolidación primario 37 1.15 Rapidez de consolidación 38 1.16 Grado de consolidación ante carga de rampa 44 1.17 Resistencia al corte 47 1.18 Prueba de compresión simple 52 1.19 Comentarios sobre el ángulo de fricción, f9 54 1.20 Correlaciones para la resistencia cortante no drenada, Cu 57 1.21 Sensitividad 57 Problemas 58 Referencias 62 vi Contenido 2 Depósitos naturales de suelo y exploración del subsuelo 64 2.1 Introducción 64 Depósitos naturales de suelo 64 2.2 Origen del suelo 64 2.3 Suelo residual 66 2.4 Suelo transportado por gravedad 67 2.5 Depósitos aluviales 68 2.6 Depósitos lacustres 70 2.7 Depósitos glaciares 70 2.8 Depósitos eólicos de suelos 71 2.9 Suelo orgánico 73 2.10 Algunos nombres locales para suelos 73 Exploración subsuperficial 74 2.11 Propósito de la exploración subsuperficial 74 2.12 Programa de exploración subsuperficial 74 2.13 Perforaciones exploratorias en el campo 77 2.14 Procedimientos para muestreo del suelo 81 2.15 Muestreo con media caña 81 2.16 Muestreo con cucharón escarbador 89 2.17 Muestreo con tubo de pared delgada 90 2.18 Muestreo con muestreador de pistón 92 2.19 Observación de los niveles de agua freática 92 2.20 Prueba de corte con veleta 94 2.21 Prueba de penetración del cono 98 2.22 Prueba del presurímetro (PMT) 107 2.23 Prueba del dilatómetro 110 2.24 Extracción de núcleos de roca 113 2.25 Preparación de los registros de perforación 117 2.26 Exploración geofísica 118 2.27 Reporte de la exploración del subsuelo 126 Problemas 126 Referencias 130 3 Cimentaciones superficiales: capacidad de carga última 133 3.1 Introducción 133 3.2 Concepto general 133 3.3 Teoría de la capacidad de carga de Terzaghi 136 3.4 Factor de seguridad 140 Contenido vii 3.5 Modificación de las ecuaciones de capacidad de carga por nivel freático 142 3.6 Ecuación general de la capacidad de carga 143 3.7 Estudios de casos sobre la capacidad de carga última 148 3.8 Efecto de la compresibilidad del suelo 153 3.9 Cimentaciones cargadas excéntricamente 157 3.10 Capacidad de carga última ante carga excéntrica—excentricidad en un sentido 159 3.11 Capacidad de carga—excentricidad en dos sentidos 165 3.12 Capacidad de carga de una cimentación continua sometida a carga excéntrica inclinada 173 Problemas 177 Referencias 179 4 Capacidad de carga última de cimentaciones superficiales: casos especiales 181 4.1 Introducción 181 4.2 Cimentación soportada por un suelo con base rígida a poca profundidad 181 4.3 Capacidad de carga de suelos estratificados: suelo más fuerte sobre suelo más débil 190 4.4 Capacidad de carga de un suelo estratificado: suelo más débil sobre un suelo más fuerte 198 4.5 Cimentaciones espaciadas estrechamente—Efecto sobre la capacidad de carga última 200 4.6 Capacidad de carga de cimentaciones sobre la parte superior de un talud 203 4.7 Capacidad de carga sísmica de una cimentación en el borde de un talud de suelo granular 209 4.8 Capacidad de carga de cimentaciones sobre un talud 210 4.9 Cimentaciones sobre roca 212 4.10 Capacidad de levantamiento de cimentaciones 213 Problemas 219 Referencias 221 5 Cimentaciones superficiales: capacidad de carga y asentamiento permisibles 223 5.1 Introducción 223 Incremento del esfuerzo vertical en una masa de suelo causado por carga de la cimentación 224 5.2 Esfuerzo debido a una carga concentrada 224 5.3 Esfuerzo debido a un área circularmente cargada 224 viii Contenido 5.4 Esfuerzo debajo de un área rectangular 226 5.5 Incremento promedio del esfuerzo vertical debido a un área rectangularmente cargada 232 5.6 Incremento del esfuerzo bajo un terraplén 236 5.7 Solución de Westergaard para el esfuerzo vertical debido a una carga puntual 240 5.8 Distribución del esfuerzo para material de Westergaard 241 Asentamiento elástico 243 5.9 Asentamiento elástico de cimentaciones sobre arcilla saturada ( ms 5 0.5) 243 5.10 Asentamiento basado en la teoría de la elasticidad 245 5.11 Ecuación mejorada para el asentamiento elástico 254 5.12 Asentamiento de suelo arenoso: uso del factor de influencia de la deformación unitaria 258 5.13 Asentamiento de una cimentación sobre arena basado en la resistencia a la penetración estándar 263 5.14 Asentamiento en suelo granular basado en la prueba del presurímetro (PMT) 267 Asentamiento por consolidación 273 5.15 Relaciones del asentamiento por consolidación primaria 273 5.16 Efecto tridimensional sobre el asentamiento por consolidación primaria 274 5.17 Asentamiento debido a la consolidación secundaria 278 5.18 Prueba de carga en campo 280 5.19 Capacidad de carga presupuesta 282 5.20 Asentamientos tolerables de edificios 283 Problemas 285 Referencias 288 6 Losas de cimentación 291 6.1 Introducción 291 6.2 Zapatas corridas 291 6.3 Tipos comunes de losas de cimentación 294 6.4 Capacidad de carga de losas de cimentación 296 6.5 Asentamientos diferenciales de losas de cimentación 299 6.6 Observaciones del asentamiento en campo de losas de cimentación 300 6.7 Cimentación compensada 300 6.8 Diseño estructural de losas de cimentación 304 Problemas 322 Referencias 323 Contenido ix 7 Presión lateral de tierra 324 7.1 Introducción 324 7.2 Presión lateral en reposo de tierra 325 Presión activa 328 7.3 Presión activa de tierra de Rankine 328 7.4 Caso generalizado para la presión activa de Rankine 334 7.5 Presión activa de tierra de Coulomb 340 7.6 Presión lateral de tierra debida a una sobrecarga 348 7.7 Presión activa de tierra para condiciones sísmicas 350 7.8 Presión activa por rotación del muro con respecto a su parte superior: Corte apuntalado 355 7.9 Presión activa de tierra por traslación del muro de retención: Relleno granular 357 Presión pasiva 360 7.10 Presión pasiva de tierra de Rankine 360 7.11 Presión pasiva de tierra de Rankine: Cara posterior vertical y relleno inclinado 363 7.12 Presión pasiva de tierra de Coulomb 365 7.13 Comentarios sobre la suposición de la superficie de falla para los cálculos de la presión de Coulomb 366 7.14 Presión pasiva en condiciones sísmicas 370 Problemas 371 Referencias 373 8 Muros de retención 375 8.1 Introducción 375 Muros de gravedad y en voladizo 377 8.2 Dimensionamiento de muros de retención 377 8.3 Aplicación de las teorías de la presión lateral de tierra al diseño 378 8.4 Estabilidad de muros de retención 380 8.5 Revisión por volcamiento 382 8.6 Revisión por deslizamiento a lo largo de la base 384 8.7 Revisión por falla por capacidad de carga 387 8.8 Juntas de construcción y drenaje del relleno 396 8.9 Diseño de muros de retención de gravedad por condición sísmica 399 8.10 Comentarios sobre el diseño de muros de retención y estudio de un caso 402 x Contenido Muros de retención estabilizados mecánicamente 405 8.11 Refuerzo del suelo 405 8.12 Consideraciones en el refuerzo de suelo 406 8.13 Consideraciones generales de diseño 409 8.14 Muros de retención con refuerzo de tiras metálicas 410 8.15 Procedimiento de diseño paso a paso utilizando un refuerzo de tiras metálicas 417 8.16 Muros de retención con refuerzo geotextil 422 8.17 Muros de retención con refuerzo de geomallas: generalidades 428 8.18 Procedimiento de diseño para un muro de retención reforzado con geomallas 428 Problemas 433 Referencias 435 9 Muros de tablestacas 437 9.1 Introducción 437 9.2 Métodos de construcción 441 9.3 Muros de tablestacas en voladizo 442 9.4 Tablestacas en voladizo que penetran suelos arenosos 442 9.5 Casos especiales de muros en voladizo que penetran un suelo arenoso 449 9.6 Tablestacas en voladizo que penetran arcilla 452 9.7 Casos especiales para muros en voladizo que penetran arena 457 9.8 Muros de tablestacas ancladas 460 9.9 Método de apoyo simple en tierra para penetración en suelo arenoso 461 9.10 Gráficas de diseño para el método de apoyo simple en tierra (penetración en suelo arenoso) 465 9.11 Reducción del momento para muros de tablestacas ancladas 469 9.12 Método computacional del diagrama de presión para penetración en suelo arenoso 472 9.13 Método de apoyo empotrado en tierra para penetración en suelo arenoso 476 9.14 Observaciones de campo para muros de tablestacas ancladas 479 9.15 Método de apoyo simple en tierra para penetración en arcilla 482 9.16 Anclas 486 9.17 Capacidad de retención de placas de anclaje en arena 488 9.18 Capacidad de retención de placas de anclaje en arcilla (condición f 5 0) 495 9.19 Resistencia última de tirantes 495 Problemas 497 Referencias 500 Contenido xi 10 Cortes apuntalados 501 10.1 Introducción 501 10.2 Envolvente de presión para el diseño de cortes apuntalados 502 10.3 Envolvente de presión para cortes en suelo estratificado 506 10.4 Diseño de varios componentes de un corte apuntalado 507 10.5 Estudios de casos de cortes apuntalados 515 10.6 Levantamiento del fondo de un corte en arcilla 520 10.7 Estabilidad del fondo de un corte en arena 524 10.8 Cedencia lateral de tablestacas y asentamiento del terreno 529 Problemas 531 Referencias 533 11 Cimentaciones con pilotes 535 11.1 Introducción 535 11.2 Tipos de pilotes y sus características estructurales 537 11.3 Estimación de la longitud del pilote 546 11.4 Instalación de pilotes 548 11.5 Mecanismos de transferencia de carga 551 11.6 Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote 554 11.7 Método de Meyerhof para estimar Qp 557 11.8 Método de Vesic para estimar Qp 560 11.9 Método de Coyle y Castello para estimar Qp en arena 563 11.10 Correlaciones para calcular Qp con resultados SPT y CPT 567 11.11 Resistencia por fricción (Qs) en arena 568 11.12 Resistencia por fricción (superficial) en arcilla 575 11.13 Capacidad de carga de punta de pilotes sobre roca 579 11.14 Pruebas de carga en pilotes 583 11.15 Asentamiento elástico de pilotes 588 11.16 Pilotes cargados lateralmente 591 11.17 Fórmulas para el hincado de pilotes 606 11.18 Capacidad de pilotes para pilotes hincados por vibración 611 11.19 Fricción superficial negativa 613 Grupos de pilotes 617 11.20 Eficiencia de grupo 617 11.21 Capacidad última de grupos de pilotes en arcilla saturada 621 11.22 Asentamiento elástico de grupo de pilotes 624 11.23 Asentamiento por consolidación de grupo de pilotes 626 11.24 Pilotes en roca 629 Problemas 629 Referencias 634 xii Contenido 12 Cimentaciones con pilas perforadas 637 12.1 Introducción 637 12.2 Tipos de pilas perforadas 638 12.3 Procedimientos de construcción 639 12.4 Otras consideraciones de diseño 645 12.5 Mecanismo de transferencia de carga 646 12.6 Estimación de la capacidad de soporte de carga 646 12.7 Pilas perforadas en suelo granular: capacidad de soporte de carga 648 12.8 Capacidad de soporte de carga basada en el asentamiento 652 12.9 Pilas perforadas en arcilla: capacidad de soporte de carga 661 12.10 Capacidad de soporte de carga con base en el asentamiento 663 12.11 Asentamiento de pilas perforadas ante carga de trabajo 668 12.12 Capacidad de soporte de carga lateral: método de la carga y del momento característicos 670 12.13 Pilas perforadas prolongadas hasta la roca 679 Problemas 681 Referencias 685 13 Cimentaciones en suelos difíciles 686 13.1 Introducción 686 Suelo colapsable 686 13.2 Definición y tipos de suelos colapsables 686 13.3 Parámetros físicos para la identificación de suelos colapsables 687 13.4 Procedimiento para calcular el asentamiento de colapso 691 13.5 Diseño de cimentaciones en suelos no susceptibles a humedecerse 692 13.6 Diseño de cimentaciones en suelos susceptibles a humedecerse 694 Suelos expansivos 695 13.7 Naturaleza general de los suelos expansivos 695 13.8 Prueba de expansión simple 699 13.9 Prueba de presión de expansión 700 13.10 Clasificación de suelos expansivos con base en pruebas índice 705 13.11 Consideraciones de cimentación para suelos expansivos 708 13.12 Construcción sobre suelos expansivos 711 Rellenos sanitarios 716 13.13 Naturaleza general de los rellenos sanitarios 716 13.14 Asentamiento de rellenos sanitarios 717 Problemas 719 Referencias 720 Contenido xiii 14 Mejoramiento del suelo y modificación del terreno 722 14.1 Introducción 722 14.2 Principios generales de compactación 723 14.3 Compactación en campo 727 14.4 Control de la compactación para barreras hidráulicas de arcilla 730 14.5 Vibroflotación 732 14.6 Voladura 739 14.7 Precompresión 739 14.8 Drenes de arena 745 14.9 Drenes prefabricados verticales 756 14.10 Estabilización con cal 760 14.11 Estabilización con cemento 764 14.12 Estabilización con ceniza muy fina 766 14.13 Columnas de roca 767 14.14 Pilotes de compactación de arena 772 14.15 Compactación dinámica 774 14.16 Lechadeado a chorro 776 Problemas 778 Referencias 781 Respuestas a problemas seleccionados 783 Índice 789