Asentamiento de pilotes de fricción en arcilla.

Los pilotes de fricción pueden usarse en grupos para soportar las zapatas, o bien colocarse debajo de toda una losa. Su función es transmitir las cargas a una profundidad considerable del subsuelo, donde los valores de la presión efectiva Po son mayores que cerca de la superficie. Haciéndolo así, los pilotes pueden reducir el asentamiento a una cantidad menor que la que se produciría en zapatas sin pilotes. Además, la carga se distribuye al suelo por fricción a todo lo largo del fuste de los pilotes, evitándose así grandes concentraciones de esfuerzo.

Como aproximación tosca, el asentamiento de un grupo de pilotes de fricción puede calcularse con la suposición de que la arcilla comprendida entre la cabeza de los pilotes y el punto que señala su tercio inferior es incompresible, y que la carga se aplica al suelo en dicho punto. Se ignora la presencia de los pilotes abajo de este nivel.

Es evidente que los pilotes de fricción son más benéficos si son largos en comparación con el ancho de la zapata o de la losa que soportan. Pilotes de fricción largos bajo zapatas relativamente pequeñas reducen mucho el asentamiento, mientras que un gran número de pilotes cortos debajo de una losa grande, prácticamente no producen ningún efecto benéfico. En realidad, si el hincado de los pilotes aumenta la compresibilidad de la arcilla por remoldeo, los pilotes cortos pueden ser perjudiciales.

Con la misma carga por pilote, el asentamiento de un grupo de pilotes de fricción aumenta con el número de ellos, en forma muy parecida a como aumenta el asentamiento de una zapata en arcilla, cuando su tamaño aumenta. Se han hecho esfuerzos para compensar el aumento del asentamiento, reduciendo la carga admisible por pilote de alguna manera arbitraria, conforme se aumenta el número de pilotes en el grupo. Las expresiones que se usan para efectuar la reducción, se conocen con el nombre de ecuaciones de eficiencia. Sin embargo, ninguna de las ecuaciones que existen considera todas las variables que influyen en los depósitos de arcilla, y su uso no se recomienda. Parece que es preferible hacer estimaciones aproximadas del asentamiento, apoyándose en los procedimientos descritos antes, y determinar las dimensiones de los grupos de pilotes utilizando criterio.

ARCILLA: Asentamientos de zapatas y losas de cimentación.

Las zapatas situadas arriba de depósitos de arcilla blanda normalmente consolidada y de depósitos de limos plasticos, comúnmente se asienten excesivamente aunque las presiones en el suelo sean relativamente pequeñas. Puede estimarse la magnitud del asentamiento por los procedimientos descritos y en las secciones anteriores de este capítulo. Los cálculos se hacen suponiendo que la superestructura no tiene rigidez. Por lo tanto, los asentamientos diferenciales indicados por la predicción probablemente sean algo mayores que los que realmente ocurren. Sin embargo, se puede esperar que la predicción sea lo suficientemente confiable para permitir estimar al proyectista, si las deformaciones serán demasiado grandes en su estructura. Si lo son, debe, combinar sus zapatas formando una losa de cimentación de la resistencia y rigidez adecuadas, o bien proyectar su estructura con una cimentación pilotes o pilas.

Es probable que el asentamiento de las zapatas aisladas presente un patrón algo errático por la existencia de zonas blandas o duras que puedan existir bajo ellas. Si una losa de cimentación ejerce la misma presión en la arcilla, se transmiten esfuerzos debajo de la cimentación a una profundidad considerablemente mayor que debajo de la cimentación de zapatas, y las zonas blandas y firmes se compensan mucho más entre sí. En consecuencia el patrón de asentamientos de una losa es mucho más regular que el de una cimentación de zapatas en el mismo material y probablemente tomará una forma concoidal, con el mayor asentamiento cerca del centro.

El asentamiento de una losa en arcilla puede reducirse, aumentando su profundidad de desplante, incrementando así la cantidad de excavación. Frecuentemente es posible compensar todo el peso de la estructura con el peso del suelo excavado para los sótanos. De esta manera, se han construido con éxito estructuras sobre depósitos de arcilla muy blanda. A pesar de la completa compensación de carga, probablemente ocurran pequeños asentamientos debidos al bufamiento, y el subsecuente asentamiento de la arcilla durante la excavación y la recarga, o por el pequeño aumento en la compresibilidad, causado por la alteración de la estructura de la arcilla durante la excavación.

En algunos casos, una capa de arena compacta o de arcilla dura cubre un estrato potente de arcilla blanda. Puede proyectarse una estructura sobre zapatas que descansen en la arena o arcilla firme. La carga admisible en las zapatas, se determina a partir de las características del material que queda directamente debajo de ellas dentro de una profundidad igual al ancho de la zapata mayor. Sin embargo, toda la capa de arena o de arcilla firme, actúa como una losa natural y el asentamiento de la estructura en conjunto, depende del aumento del esfuerzo en el depósito blando y de la compresibilidad del mismo. La predicción del asentamiento puede hacerse por procedimientos semejantes a los usados en losas. Si los asentamientos diferenciales van a ser demasiado grandes para la estructura, la situación rara vez puede mejorarse cambiando el tamaño de las zapatas. Es necesario recurrir a una cimentación en la que las cargas estén compensadas por el peso del suelo excavado, o usar pilotes o pilas que se extiendan a través de la costra y los materiales compresibles inferiores hasta una base firme.

CIMENTACIONES SOBRE ARCILLA: Confiabilidad de la predicción de los asentamientos.

 Los asentamientos diferenciales y totales pueden predecirse con un elevado grado de confiabilidad, en arcillas normalmente consolidadas de sensibilidad ordinaria, si la arcilla es prácticamente homogénea, o está en estratos homogéneos. El índice de compresión puede determinarse por medio de pruebas de consolidación en muestras inalteradas o remoldeadas.

Si el depósito ha sido precargado , pero no se ha reconocido esta circunstancia, es probable que los asentamientos calculados sean mucho mayores que los reales. La discrepancia disminuye al aproximarse a la unidad, la relación Δp/(po’ - po) Sin embargo, aunque el cálculo se base en las curvas e-log p para buenas muestras inalteradas, los asentamientos calculados probablemente excedan a los reales, y el monto de la discrepancia no puede predecirse frecuentemente con seguridad.

Como la fuente principal de error en conexión con el cálculo de asentamientos en un depósito de arcilla homogéneo, es la mala interpretación del grado de preconsolidación, deberán utilizarse todas las evidencias disponibles. En muchos casos las ideas se aclaran bastante estimando los valores de Δp en puntos críticos, de un estrato situado debajo de una estructura más antigua y cercana de comportamiento conocido. Si esta estructura no ha experimentado asentamientos perjudiciales y si produce esfuerzos en el subsuelo no menores que los que se espera tener debajo de la estructura propuesta, el comportamiento satisfactorio de la nueva estructura puede inferirse usualmente. Esta conclusión debe comprobarse mediante investigaciones, para asegurarse de que las condiciones del subsuelo en los dos lugares son realmente comparables.
Si un depósito de arcilla contiene varios elementos de suelo compresible, arreglados erráticamente, la predicción del asentamiento no puede hacer mas que indicar el asentamiento diferencial máximo probable, sin proporcionar una idea de la distribución del asentamiento.

Cuando las arcillas son muy sensibles, las muestras deben ser las mejores obtenibles. Sin embargo, el cálculo de los asentamientos en estratos uniformes de este tipo, puede hacerse con una precisión razonable.

CIMENTACIONES SOBRE ARCILLA: Cálculo del asentamiento.

La disminución del espesor de la arcilla, o el asentamiento S arriba del punto A (fig. 3.5) está dado por:

que, para las arcillas normalmente consolidadas puede expresarse de acuerdo a la ec. 3.1 como:

Mientras que la ec. 3.4 es aplicable solamente a las arcillas normalmente consolidadas, la ec. 3.3 es general y puede usarse dondequiera que se conozca la relación de vados original y su cambio. Independientemente del tipo de arcilla, e0 se obtiene con facilidad; Δe puede obtenerse de los resultados de la prueba de consolidación. Por lo tanto, aun para arcillas normalmente consolidadas, puede preferir- se la ec. 3.3 a la 3.4, si se han efectuado pruebas de consolidación. Si la arcilla está preconsolidada y si Po + Δp no excede de la carga de preconsolidación, debe usarse la ec. 3.3 y, e debe determinarse con el procedimiento ya descrito.
Si la presión Δp es negativa, es de esperar que la arcilla se expanda. Sin embargo, si la arcilla es blanda, el aumento de volumen debido a la disminución de la presión producida por la excavación, es tan pequeño que usualmente el valor de S puede tomarse corno cero.

Asentamientos de cimentaciones sobre arcilla - Introducción

Para todos los tipos de cimentaciones sobre arcillas y limos plásticos, los factores de seguridad deben ser los adecuados para evitar una falla por capacidad de carga. Sin embargo, es igualmente importante hacer una estimación segura de la magnitud del asentamiento diferencial que puede experimentarse en la estructura, aunque no se exceda el valor de la carga de seguridad. Si el asentamiento diferencial estimado es excesivo, puede ser necesario cambiar la distribución o el tipo de cimentación que se esta considerando. En la mayor parte de los casos no se justifica un elevado grado de precisión. Usualmente, puede hacerse una selección correcta del tipo de cimentación, si se sabe que el asentamiento diferencial sera del orden de 1, 5, o 50 cm.

El método general para calcular el asentamiento de un punto en la base de una estructura, debido a la consolidación de una delgada capa de arcilla consta de cuatro pasos. El primero es el cálculo de la presión efectiva original Po en el centro del estrato. El segundo es el cálculo del incremento de presión Δp, producido por la construcción del edificio, directamente debajo del punto dado y a la mitad del espesor del estrato de arcilla. El tercero es la determinación de la compresibilidad de La arcilla.
Finalmente, se utilizan estas cantidades para el cálculo de la disminución del espesor del estrato en el punto en cuestión. Si existe solamente una capa delgada, se supone que el hundimiento de la superficie es igual a esta disminución de espesor. Si hay varias capas, se realizan cálculos semejantes en cada una de ellas, y se suman las disminuciones del espesor de las diferentes capas abajo del punto.

En los siguientes párrafos se describen métodos para determinar el aumento en esfuerzo t.p y para calcular la disminución del espesor del estrato de arcilla.

CIMENTACION PILOTEADA sobre arcilla: Proyecto ilustrativo.

La aplicación del criterio para la separación en el proyecto de grupos de pilotes de fricción apoyados en arcilla. En el primer paso, se ha determinado el número de pilotes, suponiendo que la capacidad individual puede desarrollarse en el grupo. En el segundo, se ha investigado Ja capacidad del grupo, y se ha encontrado que excede de la carga total en el grupo con el factor de seguridad correspondiente. Por lo tanto, se ha llegado a un proyecto satisfactorio. De hecho, la separación de los pilotes podría disminuirse a 0.75 m, y la capacidad del grupo podría ser mayor que 172.4 toneladas. Sin embargo, para poder decidir si se hace esa reducción, es necesario conocer anticipadamente el comportamiento de la arcilla durante el hincado de los pilotes.

Debe advertirse, que cuando se considera el efecto separado de los pilotes, la resistencia al corte de la arcilla se multiplica por el factor de reducción α2 (fig. 18.7). En la investigación de la acción de grupo, no es necesaria la reducción.

El problema se refiere solamente a la resistencia de la arcilla. 

Resistencia a la extracción de los pilotes hincados en arcilla.

La resistencia a la ex- atracción de un pilote individual o de un grupo, en arcilla plástica, está gobernada por las mismas consideraciones que se aplican a la carga de seguridad hacia abajo (le los pilotes de fricción; por supuestos la capacidad de carga por punta, no contribuye a la resistencia a la extracción.

Pilotes en arcilla: Carga admisible en pilotes hincados en arcilla que aumenta de firmeza con la profundidad.

En muchas localidades se encuentran depósitos estratificados en los que cada estrato tiene características aproximadamente uniformes, pero en los que la firmeza del estrato aumenta generalmente con la profundidad. Comúnmente, se usan pilotes para transferir la carga a un nivel situado debajo de las capas superiores más compresibles. La profundidad a la que se hincan los pilotes, depende principalmente del asentamiento con que pueden contribuir los materiales situados abajo de las puntas de los pilotes. Este aspecto del problema se considerará después. En general, resulta económico hincar el pilote mas largo compatible con el equipo que se puede conseguir fácilmente, con objeto de aprovechar la mayor resistencia y firmeza de las capas inferiores.

La carga que soporta un pilote hincado en uno de estos depósitos, es soportada parcialmente por el material que queda directamente debajo de la punta del pilote, y parcialmente por fricción. La fricción desarrollada en los materiales más firmes en la parte inferior del pilote puede ser permanentemente efectiva para soportar carga, mientras que la de la parte superior, al igual que la fricción en materiales suaves situados arriba de un estrato resistente en pilotes de punta, puede disminuir con el tiempo, especialmente, si el pilote pertenece a un grupo grande.

La profundidad a la que puede hincarse un pilote determinado, bajo estas circunstancias, y la capacidad que puede desarrollarse a una penetración dada por golpe con equipo de ciertas características, puede investigarse por medio de la ecuación de onda. Estudiando el perfil de suelos, el ingeniero elige una o más profundidades a las que probablemente los pilotes obtengan la capacidad necesaria. Se hacen análisis de onda para los pilotes que tengan las longitudes correspondientes a cada profundidad. Las curvas de resistencia, como las de la fig. 12.11, indicarán si la combinación elegida de pilote, martinete, y amortiguador, es capaz de desarrollar la capacidad necesaria con una resistencia razonable al hincado. En la interpretación de las curvas, deberá dejarse un margen para el endurecimiento, ademas de la capacidad asociada a la resistencia al hincado. Este margen puede estimarse tomando como base la experiencia con otros pilotes en la localidad o efectuando una prueba de rehincado (art. 12.5), pero de preferencia deberá determinarse haciendo una o más pruebas de carga en tiempos diferentes después de hincar un pilote de prueba.

En los grupos grandes, la porción de endurecimiento desarrollado en las partes superiores de los pilotes puede ser gradualmente menos efectiva y la carga puede transferirse a las partes inferiores. El mecanismo es igual al descrito en conexión con pilotes que atraviesan estratos compresibles para poder alcanzar un apoyo firme en la punta. Sin embargo, la porción del endurecimiento a lo largo de las partes inferiores de los pilotes, probablemente sea apreciable y tenga un valor de soporte permanente. La determinación del endurecimiento haciendo pruebas de carga en pilotes, analizados por medio de la ecuación de onda, como se ilustra en la fig. 11.1, proporciona la suma de ambos componentes; por lo tanto, el uso del endurecimiento determinado en esa forma puede ser poco conservador. Sin embargo, probablemente el error sea pequeño.

Como la mayor parte de la capacidad del pilote tiene su origen en los estratos firmes en la parte inferior del pilote y cerca de la punta, es menos probable la falla de los pilotes en grupo que separadamente. Por lo tanto, la carga de seguridad en el grupo de pilotes hincados en materiales progresivamente más firmes, es prácticamente igual al número de pilotes multiplicado por la carga de seguridad por pilote.

Pilotes en arcilla: Carga admisible en pilotes de punta.

 Si un depósito de material débil o compresible está situado sobre un estrato de arcilla muy firme o dura, las cargas pueden transferirse al estrato firme usando pilotes. La capacidad total de un pilote individual en una prueba de carga, se distribuye entre la resistencia en la punta en el estrato firme y la fricción con los materiales superiores débiles. Si los materiales débiles contienen unos cuantos estratos delgados firmes o unos cuantos estratos de arena, la fricción puede soportar una parte considerable de la carga durante una prueba. Sin embargo, debajo de una estructura terminada, la fricción en los materiales superiores desaparece pronto, al consolidarse éstos, y toda la carga se transmite a la punta. 

Bajo estas condiciones, la resistencia desarrollada por el pilote en el estrato de apoyo debe ser adecuada Los análisis realizados por medio de la ecuación de onda pueden servir como útil guía para estimar la resistencia en la punta, especialmente porque la resistencia lateral durante el hincado puede ser bastante pequeña. Los resultados de la prueba de carga deben corregirse por fricción lateral, lo cual puede hacerse ejecutando pruebas de carga en pares. Debe hincarse un pilote a través del material blando hasta ci estrato de apoyo y probarse en la forma usual. El otro debe hincarse en el material blando, y detenerse el hincado cuando su punta esté a 1. m arriba del lecho superior del estrato en que se espere se apoyen los pilotes. Probando hasta la falla, el último pilote se tendrá la magnitud de la carga soportada por la fricción en los estratos superiores. 

No deberá usarse la curva carga-asentamiento del primer pilote para la determinación de su carga admisible, hasta que se haya hecho la corrección por fricción.

Pueden hacerse estimaciones de la corrección por fricción, aunque con menor seguridad, por medio de la fórmula estática (ec. 18.8) o evaluando el endurecimiento por medio de la ecuación de onda (art. 12.5), tomando como base la resistencia al rehincado.

Si un grupo de pilotes está rodeado por un relleno hecho después de que se hayan hincado los pilotes, los materiales compresibles situados sobre el estrato resistente se asentarán progresivamente durante un tiempo considerable debido al peso del relleno. Bajo estas condiciones, puede obrar en los pilotes una fuerza adicional debida a la fricción del material que se está asentando, conocida como fricción negativa (art.
12.8).

Su magnitud por unidad de área no puede exceder a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo compresible, misma que usualmente puede considerarse como la mitad de la resistencia a la compresión simple. El área en que actúa la fricción negativa es la lateral de todo el grupo de pilotes, o de toda la cimentación piloteada.

Aunque no es posible estimar con gran precisión la carga adicional debida a la fricción negativa, puede hacerse un cálculo aproximado que indique si la carga adicional tendría serias consecuencias, y tomar las medidas adecuadas. Varios ejemplos de asentamientos inesperados de gran magnitud se han atribuido a no considerar la fricción negativa.

Si se hincan los pilotes a través de un terraplén recientemente construido, en el que se haya iniciado el proceso de consolidación en los estratos inferiores compresibles, el peso del relleno que queda dentro del grupo de pilotes, probablemente se transferirá a los pilotes. Entonces, la carga por pilote aumentaría todavía más, en una cantidad aproximadamente igual a A γ  H/n, donde A es el área transversal limitada por el perímetro del grupo,’)’ y H son el peso volumétrico y el espesor del relleno, n es el número de pilotes en el grupo.

La carga de seguridad en un grupo de pilotes hincados a través de estratos compresibles hasta materiales firmes, es igual al número de pilotes en el grupo, multiplicado por la carga admisible de un pilote. No
necesario hacer reducciones debido a la poca separación entre los pilotes. De hecho, puede ser preferible reducir la separación hasta 2.5 veces el diametro del pilote, si existe la probabilidad de que debido a la consolidación del depósito blando se desarrolle fricción negativa. La carga adicional en los pilotes debida a la fricción negativa debe considerarse.

Pilotes en arcilla: Carga admisible en pilotes de fricción.

La carga que puede soportar un solo pilote apoyado por fricción en un depósito de arcilla saturada, debe determinarse preferentemente por medio de una prueba de carga estática. La forma característica de la curva carga-asentamiento puede verse en la fig.

12.8a. La curva se aproxima a una asintota vertical correspondiente a un hundimiento súbito del pilote en el terreno o a una penetración uniforme del pilote bajo la carga aplicada. La carga que produce la falla está representada por la abscisa de la tangente vertical a la curva carga-asentamiento. Cuando la capacidad máxima de un pilote está tan bien definida, se toma como carga admisible un tercio de la de la falla, para cargas de proyecto normales, o un medio de la misma, para combinaciones especialmente desfavorables.

La prueba de carga puede completarse con una prueba de extracción. En un pilote de fricción, la curva carga-extracción tiene las mismas características que la de carga- asentamiento. Si el pilote es cilíndrico, la diferencia de las cargas de falla, en las dos curvas, es una medida tosca de la resistencia en la punta.

 
Como las pruebas de carga en los pilotes son relativamente costosas, se han hecho numerosos esfuerzos para calcular la carga admisible en pilotes de fricción, en los registros de hincado o con pruebas de laboratorio. La experiencia ha demostrado que la resistencia al hincado de los pilotes de fricción en ardua tiende a ser baja, debido a la alteración de su estructura, en tanto que dicha resistencia puede aumentar durante un periodo de tiempo tras la hinca. El aumento de resistencia o endurecimiento (art. 12.5) puede deberse parcialmente a procesos tixotrópicos, o a la consolidación de la arcilla próxima a los pilotes, sujeta a esfuerzos muy elevados. Como frecuentemente el endurecimiento constituye la mayor parte de la capacidad del pilote, y, como no está relacionado con los fenómenos de transmisión de esfuerzos durante el hincado, las fórmulas dinámicas o los análisis basados en la ecuación de onda, probablemente conducen a estimaciones erróneas de la capacidad de carga. Esta conclusión ha sido demostrada ampliamente por la experiencia.

En contraste, los cálculos estáticos basados en la resistencia al esfuerzo cortante no drenada de la arcilla, se han encontrado algo más seguros, aunque no son raras las excepciones. Para pilotes cilíndricos, la capacidad máxima de carga es aproximadamente: 

El coeficiente de reducción α2 es para tomar en cuenta la alteración de la arcilla debida al hincado del pilote y a otros varios factores. Pueden obtenerse valores aproximados de la fig. 18.7. Puede verse en la figura, que X2 disminuye al aumentar la dureza de las arcillas en las que se hincan los pilotes (Tomlinson, 957; Peck, 1958)

En algunos casos, se ha encontrado que los resultados de los cálculos son muy bajos. La información más segura puede obtenerse por medio de pruebas de carga a escala natural (art. 12.4). Las pruebas de carga no deben hacerse hasta que transcurran varios días después del hincado, con objeto de permitir que se desarrolle el endurecimiento. Usualmente, es suficiente un intervalo de tres días, pero en algunas arcillas puede continuar el aumento de resistencia durante un tiempo más largo. En la fig. 18.8, se dan los resultados de una serie de pruebas de carga. Representan un aumento excepcional, pero hacen resaltar la importancia de los efectos del tiempo en las arcillas. 

 

Figura 18.7 Valores del factor de reducción α2 para calcular la capacidad estática de los pilotes apoyados por fricción en arcillas de diferentes resistencias a la compresión simple.

Figura 18.8  Aumento de la capacidad de carga máxima de un pilote de fricción con el tiempo.

Los pilotes de fricción, se hincan comúnmente en grupos o hileras debajo de las zapatas aisladas, o en un sólo grupo grande debajo de las zapatas corridas y de las losas. La capacidad de carga de un grupo de pilotes puede ser igual al número de pilotes multiplicado por la capacidad de carga por pilote, pero también puede ser mucho menor. Por lo tanto, un grupo de pilotes puede fallar cuando la carga por pilote es menor que la carga admisible determinada con una prueba de carga en un solo pilote. Debe investigarse esta posibilidad. 

La fig. 18.9 muestra un grupo de pilotes apoya(lOS por fricción en un estrato potente de arcilla Las cabezas de los pilotes se conectan con un cabezal rígido. Si fallan, deben fallar en conjunto, y la falla ocurrirá a lo largo de una superficie como la indicada por la línea punteada. El área de la superficie corresponde aproximadamente al producto del perímetro del grupo de pilotes por la longitud de los mismos. La carga máxima que puede soportar el grupo proviene de dos fuentes. La resistencia total al corte del suelo alrededor de la frontera del grupo de pilotes es igual a PLc, donde P es el perímetro del grupo y las demás cantidades se definen como en la ec. 18.8. A esta debe añadirse la capacidad de la base; es decir, la capacidad de carga del suelo en el área de la planta del grupo al nivel de las puntas de los pilotes. Si el subsuelo es uniforme, puede evaluarse aproximadamente por medio de la ec. 18.2 y la fig. 18.2, para la condición D1/B igual a cero. En los pilotes largos en pequeños grupos, la capacidad de la base es pequeña, comparada con la resistencia al corte del suelo que rodea el grupo de pilotes. Por otra parte, al aumentar el número de pilotes, el área de apoyo bajo el grupo, aumenta más aprisa que el arca lateral del suelo ocupado por el grupo. La separación de los pilotes a la que corresponde la capacidad completa de cada pilote, puede encontrarse fácilmente por tanteos. Comúnmente, se elige una separación de tres veces el diámetro de los pilotes como separacion de tanteo y luego se la compara con la regla de que la suma de las capacidades de carga y la resistencia al corte del grupo de pilotes, debe ser cuando menos igual a la capacidad de un solo pilote, multiplicada por el número de pilotes en el grupo. 

 

Figura 18.9 a) sección y b) planta de un grupo de pilotes apoyados por fricción en arcilla.

De acuerdo con el párrafo anterior, no se obtienen beneficios al hincar más pilotes dentro de las fronteras de un grupo apoyado por fricción, si la separación es igual o menor que la determinada por la regla mencionada antes. Por otra parte, se obtiene el mayor beneficio en una cimentación de pilotes de fricción si la longitud de los pilotes es tan grande como sea posible dentro de los límites de la economía. En conexión con el asentamiento de estas cimentaciones, se encuentra (art. 18.6) que la eficacia de una cimentación con pilotes de fricción, también se incrementa al aumentar la longitud de los pilotes.

El endurecimiento por pilote en un grupo, puede diferir del de un aislado. En los trabajos grandes es útil investigar esta diferencia haciendo una prueba de carga en un pilote, de un grupo de prueba hincado antes de hacer el proyecto final.

Pilotes en arcilla: Condiciones para su uso.

Si el subsuelo es una arcilla demasiado débil o demasiado compresible para soportar zapatas o losas, el peso de la estructura puede transferirse a pilotes.

La forma en que un pilote hincado en arcilla transmite su carga, puede deducirse de las características de la curva que señala la resistencia del pilote a la penetración a diferentes profundidades. Curvas típicas de esta naturaleza se muestran en la fig. 18.6. La curva a es característica de pilotes de fricción. El número de golpes por centímetro, es prácticamente constante con la profundidad y relativamente pequeño. El diagrama b, para pilotes de punta, señala una resistencia relativamente pequeña hasta que la punta encuentra al estrato firme, donde la resistencia aumenta mucho. En c, se muestra un diagrama típico de un pilote hincado en un depósito de arcilla, en el que la resistencia aumenta con la profundidad.

Pilas en arcilla.

La carga máxima neta y las presiones admisibles que puede soportar un depósito de arcilla en la base de una pila, pueden determinarse en forma semejante a la utilizada para Las zapatas. Sin embargo, para pilas, la relación de la profundidad de la cimentación al ancho de la base es grande; usualmente, es mayor de

4. De acuerdo con la fig. 18.2, si la relación Df/B es igual o mayor que 4, no tiene influencia en el factor de capacidad de carga N. Por lo tanto, para las pilas, la capacidad de carga máxima qd (ec. 18.2) puede representarse como: 

Si la pila es cuadrada o circular, si c es la resistencia no drenada al esfuerzo cortante igual a qu /2, y si se desea un factor de seguridad de 3, la ec. 18.6a se convierte en: 

Los valores de qa obtenidos de la ec. 18.6b son iguales a 1.2 veces los obtenidos de la fig. 18.3 a lo largo de la línea Df/B = 4.

Frecuentemente se encuentra un estrato adecuado para apoyar pilas sólo a gran profundidad, debajo de suelos demasiado débiles o compresibles para que participen en el apoyo de las cargas permanentes de la pila. Sin embargo, las ecs. 18.6a y 18.6b son todavía aplicables, siempre que la pila se desplante a una profundidad de cuando menos 4B abajo del lecho superior del estrato de apoyo. Cuando las profundidades de penetración son menores, puede usarse la fig. 18.3, pero debe considerarse Df, la profundidad de penetración de la base de la pila en el estrato resistente. 

En otros casos, el material de cimentación puede ser arcilla relativamente firme extendiendose hasta gran profundidad. Pilas de cuerpo recto pueden construirse en perforaciones hechas a una profundidad suficiente para que desarrollen la fricción lateral necesaria para soportar una gran porción de la carga. La magnitud de la fricción lateral que puede desarrollarse, depende de varios factores, incluyendo la resistencia al esfuerzo cortante de la arcilla inalterada, el grado en que se ablanda la arcilla con el agua que absorbe de la atmósfera, de las operaciones de perforación, del concreto colado en la perforación, del remoldeo que esta última produzca y de que se forme o no una capa de arcilla remoldeada en las paredes de la excavación. Las relativamente pocas pruebas a escala natural de que se dispone (Skempton, 1959; Woodward y colaboradores., 1961), sugieren que la fricción lateral máxima Ca por unidad de área puede tomarse como:

donde αi varía entre 0.3 y 0.5, y puede tomarse generalmente como 0.45, y c es la resistencia al corte no drenada, promediada a lo largo de la pila. Debido a la posibilidad de reblandecimiento, no debe permitirse que el valor de Ca exceda de 10 tons/m2+ La carga total que resulta de la fricción lateral puede calcularse multiplicando Ca (ec. 18.7) por el área del fuste de la pila.

La capacidad máxima total de una pila (fig. 18.5) puede obtenerse sumando la fricción lateral total a la resistencia máxima de la arcilla en la base de la pila. La resistencia en la base püede determinarse de la presión máxima (ec. 18.2), multiplicada por el área de la base. Cuando se utilice la fricción para soportar aunque sea una pequeña porción de la carga, Df debe tomarse como cero en la determinación de N (ec. 18.2 y fig. 18.2), debido a que la arcilla que rodea la pila no puede producir fricción hacia arriba, y al mismo tiempo proporcionar una sobrecarga efectiva hacia abajo (fig. 18.5). Es una técnica común dividir tanto Ca (ec. 18.7) como qd (ec. 18.2), por el factor de seguridad deseado y para obtener las capacidades admisibles del cuerpo y de la base por separado. Como aproximación razonable se toma la suma de las capacidades como la carga total admisible en la pila.

Si la pila tiene una campana en la base, sólo debe considerarse la parte recta de la pila para calcular la capacidad por fricción lateral. El ancho B se toma como el diámetro de la campana en todas las determinaciones de las presiones máxima y admisible, y en el cálculo del área y de la capacidad total de la base de la pila. La resistencia al esfuerzo cortante no drenada de la arcilla, usada para el proyecto, deberá de ser el promedio de los valores en la profundidad B abajo del fondo de la campana. Sin embargo, deberá considerarse por aparte la influencia de cualesquiera zonas blandas que queden bajo dicha campana.

El factor de seguridad contra la falla de las pilas en arcilla, deberá ser igual a 3 en las condiciones de carga máxima que puedan esperarse normalmente, y no deberá ser menor de 2 bajo las combinaciones de carga mas severas.

Como la presión neta es función del peso total de la pila, con frecuencia resulta ventajosa una pila hueca. 

Figura 18.5 fuerzas actuantes en las pilas profundas en arcilla a) Pila de cuerpo recto; b) con campana.

Cuando las pilas se construyen hincando cajones a través de depósitos de arcilla blandos, debe conocerse la fricción lateral para poder juzgar si el cajón puede llegar a pegarse en cualquier punto de su hincados No se han encontrado métodos teóricos suficientemente seguros para estimar la fricción lateral. La mayor parte de la información disponible se ha obtenido del conocimiento de las cargas necesarias para hacer descender cajones que se habían pegado. La fricción varía de 700 a 3 000 kg/m2 en limo y arcilla blanda y de 500 a 20 000 kg/m2 en arcilla muy firme. Aun cuando se disponga de datos adquiridos por experiencia en obras cercanas, debe tenerse cuidado al aplicar la información a una nueva, porque la fricción total depende de numerosos factores, incluyendo la forma y el diámetro de la parte inferior del cajón y el método de excavación. 

 

Figura 18.6  Relación entre golpes por cm de penetración y la profundidad total para pilotes de madera. Hincados a) en arcilla blanda de gran espesor b) en estratos blandos, descansando en arcilla muy firme o dura y c) en estratos de arcilla que aumentan en firmeza con la profundidad.

PROYECTO ILUSTRATIVO 18-2. Losa de cimentación en arcilla.

Varios de los principios que se refieren a la compensación total y parcial, y a sus relaciones con el factor de seguridad en las losas de cimentación sobre arcilla se ilustran el problema 18-2. La combinación de cargas elegidas para el proyecto es el peso del edificio, más la carga viva permanente. Para esta combinación se requiere un espesor Df de 6.26 m para la completa compensación, mientras que una profundidad de 4.72 m, proporciona un factor de seguridad de 3.

Los cálculos demuestran que, para una profundidad de 4.72 m, un incremento imprevisto en las cargas, de solamente el 25 por ciento, reduciría el factor de seguridad de la cimentación aproximadamente en un 50 por ciento. A la misma profundidad, el factor de seguridad se reduciría en forma desproporcionada a un valor ligeramente menor que la unidad, si las cargas se aumentaran 50 por ciento.

En este problema se ilustra también la importancia de la sobrecarga Df. Se ve que el factor de seguridad disminuye a la unidad, cuando se reduce la sobrecarga de 4.72 a L65 m. Si Df se redujera a cero, el factor de seguridad para las cargas de proyecto sería igual a 0.74, y ocurriría la falla.

Para cualquier cambio en la resistencia de la arcilla, todos los valores del factor de seguridad cakulados, cambian proporcionalmente. Estos cambios se ilustran en las curvas de la hoja 3 para diferentes valores de qu.

Los cálculos del problema son correctos, si el espesor de la arcilla blanda es igual cuando menos a 18.30 m.

Los depósitos de espesores menores y los de carácter heterogéneo, requieren un estudio especial.

Presión admisible del suelo para losas en arcilla.

Al determinar las dimensiones de las zapatas en arcilla, la capacidad de carga máxima neta se dividió por el factor de seguridad para obtener una presión admisible neta. Para un factor de seguridad igual a 3, este procedimiento da por resultado las ecs. 18.3 y 18.4 y la fig. 18.3. Los mismos principios son aplicables a losas en arcilla. Por lo tanto, puede expresarse el factor de seguridad, en función de la presión neta en el suelo como: 

donde qb es la presión global en el suelo o presión de contacto producida en la base de la losa por el peso del edificio y por la carga viva, y que, en el denominador de la ec. 18.5 se reduce a una presión neta restando

el peso de la sobre carga circunvecina, λDf.

De acuerdo con la ec. 18.5, el factor de seguridad es muy grande para losas desplantadas a las profundidades en que 7D1 es aproximadamente igual a qb. Cuando estos términos son iguales se dice que la losa está totalmente compensada. El factor teórico de seguridad contra la falla del subsuelo bajo estas circunstancias es infinito, siempre que no haya incertidumbre en la estimación de Las cargas o en la acción de λDf. Sin embargo, aun si fDf, es completamente efectivo, un aumento en la presión global del suelo q b posiblemente causado por cargas adicionales imprevistas en la cimentación, reduce el grado de compensación; además, la disminución en el factor de seguridad, está fuera de proporción con el aumento en las cargas. La ec. 18.5 demuestra también, que un error en la estimación del peso de la estructura, o en la carga viva tiene mayor influencia en el factor de seguridad para una arcilla débil que para una resistente.

Como para las zapatas en arcilla, el factor de seguridad contra falla de una arcilla debajo de una losa no debe ser menor que 3 bajo cargas normales, ni menor que 2 bajo las mayores cargas posibles. Así, en este caso puede usarse la fig. 18.3 para obtener la presión neta admisible en el suelo. Los valores de la fig. 18.3 pueden multiplicarse por las relaciones adecuadas para convertir las presiones a las correspondientes a factores de seguridad diferentes de 3. Como N y, en consecuencia, la presión admisible en el suelo sufren algo la influencia del espesor de la sobrecarga, la determinación de Df para la compensación parcial necesaria para obtener un cierto factor de seguridad, ha* blando estrictamente, debe hacerse con un procedimiento de tanteos. Sin embargo, el primer tanteo basado en una relación Df/B supuesta, es de ordinario suficientemente preciso.

Losas de cimentación en arcilla - Capacidad de carga máxima.

Capacidad de carga máxima. La presión máxima neta que puede soportar el suelo debajo de una losa, en un depósito grueso de arcilla o de limo plástico puede obtenerse de la misma manera que para las zapatas. La cantidad qd en la ec. 18.2, es la presión a la elevación del lecho inferior de la Josa, en exceso de la ejercida por la sobrecarga circunvencina. De la misma manera, en la ec. 18.4 y en la fig. 18.3, qa es la presión neta en el suelo. Al aumentar la profundidad de la excavación, la presión que puede aplicar con seguridad el edificio, se aumenta proporcionalmente. Esto puede lograrse aumentando el número o profundidad de los sótanos. 

Por otra parte, el área de la losa, en general no puede aumentarse apreciablemente con la intención de reducir la presión en el suelo, porque no es factible extenderla más de unos cuantos metros fuera del mismo edificio. 

Por lo tanto, si se va a construir una losa en un solar situado sobre una arcilla demasiado blanda para que proporcione apoyo al nivel normal del sótano, el único método práctico para proporcionar el factor de seguridad adecuado consiste en bajar la profundidad de la cimentación.

PROYECTO ILUSTRATIVO 18-1. Zapatas en arcilla.

Las dimensiones de las zapatas se determinan exclusivamente tomando como base la resistencia de la arcilla.

Los datos generales menos favorables obtenidos de varios sondeos en el solar del edificio se dan en la Hoja 

1. También se da una lista de las cargas para las que habrá que considerar un factor de seguridad de 3. Se supone que estas cargas rigen el diseño. Si debido a que pueden producirse combinaciones más severas de corta duración, la carga total en cualquier zapata pudiera exceder de estos valores en más del 50 por ciento durante la vida del edificio, a las zapatas en que pudieran presentarse estas condiciones se les darán las dimensiones correspondientes para las combinaciones de carga más severas, con un factor de seguridad de 2. 

La presión neta admisible en el suelo se determina de la fig. 18.3, en la cual se toma el promedio de la resistencia a la compresión simple de la arcilla para profundidades abajo de la base, igual al ancho de la zapata. Para fines de ilustración, aunque pudiera considerarse un refinamiento, innecesario en la práctica, se usa un valor más alto qa en las zapatas cuadradas que en las continuas, debido al factor de forma (1 + O.2B/L).

Inicialmente, por supuesto, no se conoce el ancho de la zapata. Por lo tanto, la profundidad a la que deben promediarse las resistencias a la compresión tampoco se conoce, y se requiere un procedimiento de tanteos. Las hojas adjuntas muestran solamente el tanteo final para cada zapata. El tanteo inicial se basa en un promedio aproximado de qu, tomado a ojo de los datos de la gráfica de la Hoja 1. La convergencia hacia el valor final de B es rápida; generalmente, los resultados del tercer tanteo son satisfactorios.

Los ejemplos de los procedimientos de tanteos en este problema y en los siguientes, y la disposición general de los cálculos, son representativos de la práctica usual de las oficinas de proyecto. En muchos casos, puede plantearse el problema en forma de ecuaciones y resolverlas directamente para obtener una cierta cantidad, como podría ser el ancho de la zapata. Sin embargo, las ecuaciones resultan complicadas y muchas veces son fuentes de error. Y lo que es más importante, frecuentemente ocultan la influencia de las variables principales. 

En cambio, los procedimientos de tanteos, conducen rápidamente a valores aproximadamente correctos de las cantidades deseadas y permiten al proyectista, en cada paso de los cálculos, juzgar lo razonable de los resultados. Además, esta forma de cálculo facilita las comprobaciones independientes, que requiere todo proyectista.

Como en la fig. 18.3 se da el valor de la capacidad de carga en exceso, del peso de la sobrecarga adyacente a la zapata, los pesos de la losa del piso y del suelo arriba de la elevación de la base se restan de la carga sobre la zapata. Sin embargo, esta resta compensa muy aproximadamente los pesos de la losa del piso y de la zapata que anteriormente se habían añadido a la presión producida por la carga del muro. Por lo tanto, usualmente es suficientemente preciso dividir la carga del muro o columna por el área de la zapata y comparar esta presión, con el valor de seguridad determinado en la fig. 18.3. Sin embargo, si no se omiten los cálculos de la carga adicional menos la sobrecarga, pueden simplificarse como se indica para la zapata de la columna en la Hoja 2 del problema, en la que el peralte de la zapata se multiplica por la diferencia entre los pesos volumétricos del concreto y del suelo. Debe notarse que la sobrecarga en la proyección exterior de la zapata del muro, aunque es mayor que λDf se ignora en los cálculos. Se supone que esta carga la toma completamente la resistencia del suelo adyacente. 

El área de la zapata de la columna en el problema es tal que la presión neta en el suelo se excede ligeramente bajo las cargas vivas y muertas usadas para el proyecto. Es una técnica común permitir estos pequeños excesos, porque usualmente la precisión que se da a la medida de las zapatas es de 7 u 8 cm. Tomando en consideración los límites de precisión probables de las cargas, la resistencia del suelo y los métodos de análisis, rara vez se justifica un mayor refinamiento en el proyecto.

Zapatas con carga excéntrica - Zapata en Arcilla.

Debajo de los muros de contención y de otros tipos de estructuras sujetas a cargas laterales, la presión calculada en la base puede no ser uniforme, sino que varia linealmente de una arista inferior a la otra. El ancho de estas zapatas en arcilla debe determinarse como si toda la base estuviera sujeta a una presión promedio igual a la presión máxima.

Procedimiento de diseño - Zapatas en Arcilla.

Si las zapatas que soportan una estructura están proyectadas con un factor de seguridad de 3, los asentamientos diferenciales por consolidación de la arcilla que las subyace, probablemente no excedan de 2 cm. siempre que las zapatas estén suficientemente separadas como para que el funcionamiento de cada una de ellas sea independiente de las demás y siempre que el suelo bajo ellas no sea una arcilla normalmente consolidada, blanda o muy blanda. Las cargas que se consideran al elegir los tamaños de las zapatas para proporcionar un factor de seguridad de 3, deben ser las que vayan a obrar la mayor parte del tiempo. No se incluirán los valores excepcionales de la carga viva, debidos a combinaciones improbables de carga, ni las cargas producidas por el viento, la nieve en climas templados, o las de los sismos. El factor de seguridad no debe ser menor que 2 bajo las condiciones más severas y combinaciones de carga probables. Por lo tanto, la presión máxima en el suelo en las condiciones más desfavorables de carga no debe exceder de 1.5 veces los valores de qa obtenidos con la ec. 18.4 y la fig. 18.3.

Como se dijo antes en este artículo, el valor de qu que debe usarse para obtener la presión admisible del suelo qe para una zapata dada, usando la ec. 18.4 y la fig. 18.3, debe representar el promedio para una profundidad B bajo el desplante. Sin embargo, los tamaños, formas y profundidades de las zapatas comúnmente varían considerablemente en una obra determinada. Además, los sondeos no se hacen ordinariamente en cada zapata. Por estas razones, y debido a las variaciones inherentes de la mayor parte de los depósitos naturales de arcilla, rara vez se justifica el uso de diferentes promedio de valores de qa para diferentes zapatas. La presión admisible se basa comúnmente en datos de los sondeos en que aparezcan las condiciones menos favorables. La determinación de su magnitud y la decisión de si debe variarse de unas zapatas a otras, o para las diferentes profundidades de desplante, dependerá del criterio del ingeniero especialista en cimentaciones. 

Figura 18.4. Instalación para hacer una prueba de carga cn arcilla fisurada.

Las zapatas continuas que se construyen debajo de los muros exteriores de los sótanos están sujetas a cargas desequilibradas, incluyendo la presión lateral de la tierra (fig. 18.1 b). Si la diferencia γH de sobrecarga en los dos lados de la zapata no excede de O.5q, la carga desequilibrada puede despreciarse. De otra manera, la zapata y el muro del sótano deben proyectarse como muro de sostenimiento.

En muchos casos, excepto cuando se trata de arcillas firmes o duras, el efecto de cualquier zapata en un grupo, resulta afectado en forma importante por la presencia de las zapatas vecinas o de otras áreas cargadas. En este caso, el asentamiento diferencial de una cimentación de zapatas puede ser mucho mayor que 2 cm. En consecuencia, deberá hacerse una investigación de los asentamientos de toda la cimentación para completar la determinación de la presión admisible en el suelo para las zapatas individuales.

Presión admisible en el suelo - Zapatas en Arcilla.

Bajo la carga muerta más las cargas vivas máximas que pueden esperarse normalmente, el factor de seguridad contra falla por capacidad de carga debe ser del orden de 3. La presión admisible en el suelo qa  puede, por lo tanto, tomarse como un tercio de la presión máxima neta (ec, 18.2) 

La ec. 18.4 y los valores de N de la f’ig. 18.2 proporcionan la base de las curvas mostradas en la fig. 18.3. Para valores dados de la resistencia dci sucio y de Df/B, la presión neta admisible en el suelo qa para zapatas continuas puede obtenerse directamente de la gráfica. Para las zapatas rectangulares los valores de la gráfica se multiplican por (1 + 0.2B/L); por lo tanto, para las zapatas cuadradas o circulares el aumento es 20 por ciento. Pueden hacerse los ajustes adecuados a los valores del diagrama para factores de seguridad con otros valores diferentes a 3.

La relación del espesor de la sobrecarga al ancho de la zapata comúnmente es menor de 1. La fig. 18.3 revela que, bajo estas condiciones, la presión neta admisible es aproximadamente igual a la resistencia a la compresión simple de la arcilla. 

Figura 18.3. Presión admisible neta para zapatas sobre arcilla y limo plástico. Determinada para un factor de seguridad de 3 contra falla por capacidad de carga (condiciones Ø=0) Los valores del diagrama son para zapatas continuas (B/L = 0); para zapatas rectangulares, multiplíquese los valores por 1 + 0.2 B/L; para zapatas cuadradas y circulares, multiplíquese los valores por 1.2.

Debido a las variaciones que ocurren normalmente, aun en los depósitos de arcilla relativamente uniformes, el valor de q en la ec. 18.4 o en la fig. 18.3, debe representar el promedio en una profundidad B abajo de la zapata. La resistencia a la compresión simple debe determinarse a intervalos de 15 cm en la dirección vertical. Puede estimarse la resistencia de algunas de las muestras, si el técnico es experimentado, pero deberá probarse cuando menos una de cada cinco. Si, por otra parte, la arcilla no es uniforme y existe un estrato blando situado dentro de una profundidad B, abajo de la base de la zapata, la resistencia del estrato blando determinará el factor de seguridad del elemento. En la fig. 21.2, se muestra esta condición y sus efectos importantes en el proyecto de las zapatas.

Si la resistencia del suelo disminuye con la profundidad, la seguridad de una zapata grande puede ser mucho menor que la de una pequeña. Además, bajo estas condiciones, sólo pueden usarse la ec. 18.4 y las curvas de la fig. 18.3 para elegir la carga de seguridad de una zapata individual, si la zapata está tan alejada de sus vecinas, que los esfuerzos en el subsuelo, ya no son influidos significativamente por dichas vecinas. Si en el subsuelo existen uno o más estratos blandos o una profundidad incluso mayor que B, debe hacerse un cálculo para determinar si la presión en la frontera superior de cualquiera de los estratos blandos excede del valor de seguridad para el estrato. Si lo hace, debe modificarse el proyecto.

Puede determinarse la presión en la frontera superior por medio del diagrama descrito anteriormente. Sin embargo, con frecuencia resulta más expedito y suficientemente preciso, suponer que la presión en la base de la zapata se distribuye uniformemente dentro de los confines de un prisma truncado, cuyos lados se inclinan hacia afuera de las aristas inferiores de la zapata con un talud de 2:1 (vertical:horizontal).

Si la arcilla contiene sistemas de grietas o superficies de resbalamiento, el procedimiento basado en la resistencia al esfuerzo Cortante no drenada, determinada con pruebas de compresión simple, o con veleta, no debe usarse, porque la resistencia de la arcilla depende de la separación y naturaleza de los defectos y no de la resistencia del material intacto. Bajo estas circunstancias, puede ser necesario recurrir a pruebas de carga.

El modo de hacer una prueba de carga, depende de la separación de las grietas, el tamaño de la zapata, y el grado de uniformidad de la arcilla. Para tener la seguridad de que se incluye un número representativo de grietas, la placa de prueba (fig. 18.4) debe ser cuando menos de 60 x 60 cm, cuadrada. El efecto de la sobrecarga alrededor de la placa debe eliminarse. Por lo tanto, la prueba se efectúa en una fosa de un ancho cuando menos igual a tres veces el de la placa. La carga debe aplicar- se sn incrementos y debe observarse la deformación después de cada uno de ellos, hasta que su magnitud sea muy pequeña. La relación de la carga al asentamiento debe determinarse hasta el punto de falla o hasta que la carga aplicada sea el triple de la d diseño. Deberá hacerse una prueba de carga al nivel de la base de las zapatas, y suficientes pruebas adicionales a mayor profundidad para determinar e] valor promedio de la capacidad de carga dentro de la profundidad B. Si la arcilla se debilita consistentemente con la profundidad, la carga de seguridad debe basarse en los valores menores de la capacidad de carga. Si las variaciones son erráticas, puede usarse el valor promedio.

Zapatas en arcilla.

Capacidad de carga máxima. La fig. 18.l a representa la sección transversal de una zapata larga de ancho B, apoyada a una profundidad Df, abajo de la superficie del terreno, A la cantidad Df, se le llama profundidad de desplante. Su significado en una zapata con profundidades diferentes en los dos lados se muestra en la fig. 18.1 b. Se supone que el suelo que está debajo de la base de la zapata es arcilla intacta sin defectos estructurales, como superficies de deslizamiento o grietas y su grado de saturación es prácticamente la unidad. 

Figura 18.1 a) Sección transversal de una zapata larga sobre arcilla, mostrando las bases para el calculo de la capacidad de carga maxima b) croquis para indicar Df en zapatas con sobrecarga de diferente profundidad a cada lado.

Si falla La zapata ilustrada en la fig. 18. La, debe desalojarse hacia arriba y a la izquierda, una cuña de suelo Ocbde, como se muestra en el lado izquierdo de la figura. El peso de 1a cuña y la resistencia al corte del suelo a lo largo de Ocbd tienden a resistir la falla. No existe una teoría completamente rigurosa para calcular la capacidad de carga máxima bajo estas circunstancias, pero se dispone de soluciones suficientemente aproximadas. Se supone, como se ilustra a la derecha de la fig. 18. la, que la influencia del sue1o arriba del nivel de la base de la zapata puede reemplazarse por una sobrecarga uniforme γDj. La teoría y la experimentación indican entonces, que la superficie de deslizamiento consta de una sección circular Oc’ y una sección recta c’b’, que forma un ángulo de 45° con la horizontal. Todas las fuerzas que actúan en la masa deslizante Oc’b’a’ se muestran en la figura. Puede utilizarse la condición de que estas fuerzas deben estar en equilibrio, para evaluar la capacidad de carga máxima qd’. Las fuerzas normales que obran en la superficie de deslizamiento no pueden producir resistencia al esfuerzo cortante por fricción, debido a la suposición de que Ø = O. Por otra parte, obra una resistencia al corte c (fig. 4.9) por unidad de área a lo largo de la superficie que se opone al deslizamiento. El resultado de la evaluación conduce a la expresión:

Figura 18.2 Factores de capacidad de carga para cimentaciones en arcilla bajo condiciones Ø = 0

Se define la capacidad de carga máxima neta qd, como la presión que puede aplicarse en la base de la zapata en exceso a la existente al mismo nivel, debida a la sobrecarga circundante; por lo tanto

Para hacer resaltar la diferencia entre qd y qd’  la ultima se conoce como capacidad de carga máxima global. En la ec. 18.2, N es un factor de capacidad de carga adimensional, que tiene, para una zapata larga y continua situada en la superficie del depósito de arcilla, el valor de 5.14 (Prandtl, 1920).

En una zapata, el valor de Nc varía algo con la relación del ancho B a la longitud L, y con el espesor de la sobrecarga Df, como se indica en la fig. 18.2 (Skempton, 1951). Para cualquier valor dado de Df/B, la fig. 18.2, hace ver que el factor de capacidad de carga para zapatas circulares y cuadradas es aproximadamente 1.2 veces el correspondiente a una zapata larga continua. Puede utilizarse una interpolación lineal para las zapatas rectangulares que tengan valores intermedios de B/L.

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