Cómo calcular la capacidad de carga de los suelos

Lacapacidad de carga del sueloviene dado por la ecuación

en el cualQ_aes la capacidad de carga admisible (en kN / m² o libras / pies²), ​Q_tues la capacidad de carga última (en kN / m² o libras / pies²) y FS es el factor de seguridad. La máxima capacidad de cargaQ_tues el límite teórico de la capacidad de carga.

Al igual que la torre inclinada de Pisa se inclina debido a la deformación del suelo, los ingenieros utilizan estos cálculos para determinar el peso de edificios y casas. A medida que los ingenieros e investigadores sientan las bases, deben asegurarse de que sus proyectos sean ideales para el terreno que los sustenta. La capacidad de carga es un método para medir esta resistencia. Los investigadores pueden calcular la capacidad de carga del suelo determinando el límite de presión de contacto entre el suelo y el material colocado sobre él.

Estos cálculos y mediciones se realizan en proyectos que involucran cimentaciones de puentes, muros de contención, presas y tuberías que corren bajo tierra. Se basan en la física del suelo al estudiar la naturaleza de las diferencias causadas por la presión del agua de los poros del material subyacente a la cimentación y la tensión efectiva intergranular entre las partículas del suelo ellos mismos. También dependen de la mecánica de fluidos de los espacios entre las partículas del suelo. Esto explica el agrietamiento, la filtración y la resistencia al corte del suelo en sí.

Las siguientes secciones brindan mayor detalle sobre estos cálculos y sus usos.

Los cimientos poco profundos incluyen zapatas de tira, zapatas cuadradas y zapatas circulares. La profundidad suele ser de 3 metros y permite obtener resultados más económicos, factibles y fácilmente transferibles.

​Teoría de la capacidad de carga máxima de Terzaghidicta que puede calcular la capacidad de carga máxima para cimentaciones continuas poco profundasQ_tucon

en el cualCes la cohesión del suelo (en kN / m² o libras / pies²), ​gramoes el peso unitario efectivo del suelo (en kN / m³ o libras / pies³), ​Des la profundidad de la zapata (en mo pies) y B es el ancho de la zapata (en mo pies).

Para cimentaciones cuadradas poco profundas, la ecuación esQ_tucon

y, para cimentaciones circulares poco profundas, la ecuación es

En algunas variaciones, la g se reemplaza porγ​.

Las otras variables dependen de otros cálculos.norte_qes

​norte_Ces 5.14 paraф '= 0y

para todos los demás valores de ф ',Nges:

​K_pgse obtiene al graficar las cantidades y determinar qué valor deK_pgexplica las tendencias observadas. Algunos usannorte_gramo = 2 (N_q+1) tanf '/ (1 + .4sin4​​ф ')como una aproximación sin necesidad de calcularK​​pág.​

Puede haber situaciones en las que el suelo muestre signos defalla por cizallamiento. Esto significa que la resistencia del suelo no puede mostrar suficiente resistencia para la base porque la resistencia entre las partículas en el material no es lo suficientemente grande. En estas situaciones, la capacidad de carga máxima de la cimentación cuadrada esQ_tu = .867c N_C + g D N_q + 0,4 g B N_gramo ,la base continua de isQu = 2 / 3c Nc + g D Nq + 0.5 g B Ng y la base circular esQ​_tu ​= .867c N​_C ​+ g D N​_q ​+ 0,3 g B N​​_gramo​.

Los cimientos profundos incluyen cimientos de pilares y cajones. La ecuación para calcular la capacidad de carga última de este tipo de suelo es la siguiente:Q_tu = Q_pag + Q_F en el cualQ_tues la capacidad de carga última (en kN / m² o libras / pies²), ​Q_pages la capacidad de carga teórica para la punta de la cimentación (en kN / m² o libras / pies²) yQ_Fes la capacidad de carga teórica debida a la fricción del eje entre el eje y el suelo. Esto le da otra fórmula para la capacidad de carga del suelo.

Puede calcular la base de capacidad teórica del cojinete del extremo (punta)Q_pagcomoQ_pag = A_pagq_pagen el cualQ_pages la capacidad de carga teórica del cojinete del extremo (en kN / m² o libras / pies²) yA_pages el área efectiva de la punta (en m² o pies²).

La unidad teórica de capacidad de carga de punta de los suelos limosos sin cohesión.q_pagesqDN_qy, para suelos cohesivos,9c,(ambos en kN / m² o libras / pies²). ​D_Ces la profundidad crítica para pilotes en limos o arenas sueltas (en mo pies). Esto debería ser10Bpor limos y arenas sueltas,15Bpara limos y arenas de densidad moderada y20Bpara limos y arenas muy densas.

Para la capacidad de fricción de la piel (eje) de la base del pilote, la capacidad de carga teóricaQ_FesA_Fq_Fpara una sola capa de suelo homogénea ypSq_FLpara más de una capa de suelo. En estas ecuaciones,A_F es el área de superficie efectiva del eje del pilote,q_Feskstan (d), la capacidad de fricción unitaria teórica para suelos sin cohesión (en kN / m² o lb / ft) en el quekes la presión lateral de la tierra,ses la presión de sobrecarga efectiva yDes el ángulo de fricción externo (en grados).Ses la suma de diferentes capas de suelo (p. ej.a₁​ + ​a₂​ +... + ​a_norte​).

Para los limos, esta capacidad teórica esC​_A ​+​ ​kstan (d)en el cualC_Aes la adherencia. Es igual aC,la cohesión del suelo para hormigón en bruto, acero oxidado y metal corrugado. Para hormigón liso, el valor es.8caCy, para acero limpio, es.5ca.9c​. ​pages el perímetro de la sección transversal del pilote (en mo pies).Les la longitud efectiva del pilote (en mo pies).

Para suelos cohesivos,q​_F ​= aS​_tu en el que a es el factor de adherencia, medido como1-.1 (S_uc)²porS_ucmenos de 48 kN / m² dóndeS_uc = 2ces la resistencia a la compresión no confinada (en kN / m² o libras / pies²). ParaS_ucmayor que este valor,a = [0,9 + 0,3 (S_uc - 1)] / S_uc​.

El factor de seguridad varía de 1 a 5 para varios usos. Este factor puede explicar la magnitud de los daños, el cambio relativo en las posibilidades de que un proyecto falle, los datos del suelo en sí, la construcción de tolerancia y la precisión de los métodos de análisis de diseño.

Para casos de falla por cortante, el factor de seguridad varía de 1.2 a 2.5. Para presas y rellenos, el factor de seguridad varía de 1,2 a 1,6. Para muros de contención, es de 1,5 a 2,0, para tablestacas de cizalla, es de 1,2 a 1,6, para excavaciones arriostradas, de 1,2 a 1,5, para zapatas de extensión a cortante, el factor es de 2 a 3, para zapatas de estera es de 1,7 a 2,5. Por Por el contrario, los casos de falla por filtración, ya que los materiales se filtran a través de pequeños orificios en las tuberías u otros materiales, el factor de seguridad varía de 1.5 a 2.5 para levantamiento y de 3 a 5 para tubería.

Los ingenieros también usan reglas empíricas para el factor de seguridad como 1.5 para muros de contención que se vuelcan con granular relleno, 2.0 para relleno cohesivo, 1.5 para muros con presión de tierra activa y 2.0 para aquellos con tierra pasiva presiones. Estos factores de seguridad ayudan a los ingenieros a evitar fallas por corte y filtración, así como que el suelo se pueda mover como resultado de los apoyos de carga.

Armados con los resultados de las pruebas, los ingenieros calculan cuánta carga puede soportar el suelo con seguridad. Comenzando con el peso requerido para cortar el suelo, agregan un factor de seguridad para que la estructura nunca aplique suficiente peso para deformar el suelo. Pueden ajustar la huella y la profundidad de una base para mantenerse dentro de ese valor. Alternativamente, pueden comprimir el suelo para aumentar su resistencia, por ejemplo, usando un rodillo para compactar el material de relleno suelto para una calzada.

Los métodos para determinar la capacidad de carga del suelo implican la presión máxima que la base puede ejercer sobre el suelo de manera que el factor de seguridad aceptable contra falla por cortante está por debajo de la cimentación y el asentamiento total y diferencial aceptable es reunió.

La capacidad de carga máxima es la presión mínima que causaría la falla por corte del suelo de soporte inmediatamente debajo y adyacente a la base. Tienen en cuenta la resistencia al corte, la densidad, la permeabilidad, la fricción interna y otros factores al construir estructuras en el suelo.

Los ingenieros usan su mejor juicio con estos métodos para determinar la capacidad de carga del suelo al realizar muchas de estas mediciones y cálculos. La longitud efectiva requiere que el ingeniero elija dónde empezar y dónde dejar de medir. Como método, el ingeniero puede optar por utilizar la profundidad del pilote y restar los suelos superficiales alterados o mezclas de suelos. El ingeniero también puede optar por medirlo como la longitud de un segmento de pilote en una sola capa de suelo que consta de muchas capas.

Los ingenieros deben tener en cuenta los suelos como mezclas de partículas individuales que se mueven entre sí. Estas unidades de suelos se pueden estudiar para comprender la física detrás de estos movimientos al determinar el peso, la fuerza y ​​otras cantidades con respecto a los edificios y proyectos sobre los que se basan los ingenieros ellos.

La falla por cizallamiento puede resultar de las tensiones aplicadas al suelo que hacen que las partículas se resistan entre sí y se dispersen de manera perjudicial para la construcción. Por esta razón, los ingenieros deben tener cuidado al elegir diseños y suelos con resistencias al corte adecuadas.

LaCírculo de MohrPuede visualizar las tensiones cortantes en los planos relevantes para proyectos de construcción. El círculo de tensiones de Mohr se utiliza en la investigación geológica de análisis de suelos. Se trata de utilizar muestras de suelos en forma de cilindro de forma que las tensiones radiales y axiales actúen sobre las capas de suelo, calculadas mediante planos. Luego, los investigadores utilizan estos cálculos para determinar la capacidad de carga de los suelos en los cimientos.

Los investigadores en física e ingeniería pueden clasificar suelos, arenas y gravas por su tamaño y componentes químicos. Los ingenieros miden el área de superficie específica de estos constituyentes como la relación entre el área de superficie de las partículas y la masa de las partículas como un método para clasificarlas.

El cuarzo es el componente más común del limo y la arena y la mica y el feldespato son otros componentes comunes. Los minerales arcillosos como la montmorillonita, la illita y la caolinita forman láminas o estructuras en forma de placas con grandes superficies. Estos minerales tienen áreas superficiales específicas de 10 a 1,000 metros cuadrados por gramo de sólido.

Esta gran superficie permite interacciones químicas, electromagnéticas y de van der Waals. Estos minerales pueden ser muy sensibles a la cantidad de líquido que puede pasar por sus poros. Los ingenieros y geofísicos pueden determinar los tipos de arcillas presentes en varios proyectos para calcular los efectos de estas fuerzas y explicarlas en sus ecuaciones.

Los suelos con arcillas de alta actividad pueden ser muy inestables porque son muy sensibles a los fluidos. Se hinchan en presencia de agua y se encogen en su ausencia. Estas fuerzas pueden provocar grietas en los cimientos físicos de los edificios. Por otro lado, los materiales que son arcillas de baja actividad que se forman bajo una actividad más estable pueden ser mucho más fáciles de trabajar.

Geotechdata.info tiene una lista de valores de capacidad de carga del suelo que puede usar como un gráfico de capacidad de carga del suelo.