Estudio Geotécnico con Fines de Cimentación Rev 0

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ESTUDIO DE SUELOS CON FINES DE CIMENTACIÓN Proyecto Centro Médico - UNI El Rímac - Lima Revisión A Preparado para: CENIP UNI Av. Túpac Amaru s/n – El Rimac Lima, Perú Preparado por: COINGEC S.A.C. Casimiro Ulloa 115 San Miguel, Lima 18, Perú (51-1) 451-1392 Junio, 2010

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ESTUDIO DE SUELOS CON FINES DE

CIMENTACIÓN

Proyecto Centro Médico - UNI

El Rímac - Lima

Revisión A

Preparado para: CENIP UNI

Av. Túpac Amaru s/n – El Rimac Lima, Perú

Preparado por:

COINGEC S.A.C.

Casimiro Ulloa 115 San Miguel, Lima 18, Perú

(51-1) 451-1392

Junio, 2010

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TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN EJECUTIVO ........................................................................................ 3

1.0 INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 4 1.1 Ubicación del Área de Estudio .................................................................. 4 1.2 Objetivos del Estudio ................................................................................ 4 1.3 Alcances del Trabajo ................................................................................. 4 1.4 Alcance del Informe .................................................................................. 5

2.0 SISMICIDAD DE LA ZONA DE ESTUDIO ................................................ 6

3.0 INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA DE CAMPO ......................................... 7 3.1 Calicatas .................................................................................................... 7 3.2 Ensayos de Laboratorio ............................................................................ 8

3.2.1 Ensayos Índice en Mecánica de Suelos .......................................... 8 3.2.2 Ensayos Químicos ........................................................................... 9

4.0 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LA CIMENTACIÓN ............ 10 4.1 Unidades Geotécnicas ............................................................................. 10

4.1.1 Depósito Aluvial (Unidad Geotécnica I) ...................................... 10 4.1.2 Nivel de Agua ............................................................................... 10 4.1.3 Nivel de Cimentación ................................................................... 10

4.2 Parámetros Geotécnicos .......................................................................... 11 4.2.1 Parámetros de Esfuerzo de Corte de Suelo ................................. 11 4.2.2 Parámetros Elásticos y Dinámicas. ............................................. 12

5.0 ANÁLISIS GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN ............................... 13 5.1 Capacidad de Carga Admisible .............................................................. 13 5.2 Análisis de Asentamientos ..................................................................... 15

5.2.1 Condiciones de Excentricidad de la Carga .................................. 15 5.3 Capacidad de Carga con Sismo .............................................................. 16 5.4 Asentamientos Recomendables .............................................................. 16 5.5 Condiciones de Diseño para Cimentaciones .......................................... 17

5.5.1 Área de Compresión ..................................................................... 17 5.5.2 Factores de Seguridad (FS) .......................................................... 17

5.6 Parámetros de Diseño de Estructuras de Contención ........................... 18 5.6.1 Coeficiente de Presión Lateral de Tierras ................................... 18 5.6.2 Resumen de Coeficientes de Empuje ........................................... 19 5.6.3 Comentarios Adicionales .............................................................. 20 5.6.4 Coeficiente de Presión Activa para Condiciones Sísmicas.......... 20 5.6.5 Empuje por Acción Sísmica en Muros que no se Desplazan

(Calavera, 2006)............................................................................ 22 5.6.6 Método Cinemático (Norma Chilena-433, 1991) ......................... 22 5.6.7 Formulación Propuesta para el Coeficiente de Balasto Vertical 24

5.7 Agresión Química a las Estructuras ...................................................... 25 5.8 Parámetros de Diseño Sísmico ............................................................... 26

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6.0 CONCLUSIONES .......................................................................................... 27

7.0 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y CONSTRUCTIVAS ..................... 28 7.1 Generalidades ......................................................................................... 28 7.2 Excavaciones ........................................................................................... 28 7.3 Tratamiento del Nivel de Cimentación .................................................. 28 7.4 Recepción del Nivel de Cimentación ...................................................... 29

8.0 REFERENCIAS ............................................................................................. 30

LISTA DE TABLAS

Tabla 3.1 Resumen de Calicatas ......................................................................... 8 Tabla 3.2 Resumen de Ensayos de Laboratorio .................................................. 9 Tabla 3.3 Resumen de Ensayos Químicos ........................................................... 9 Tabla 4.1 Parámetros de Propiedades de Materiales ....................................... 12 Tabla 4.2 Parámetros de Propiedades elasticas y dinámicas ........................... 12 Tabla 5.1 Capacidad de Carga Última y Admisible .......................................... 14 Tabla 5.2 Distorsión Angular - Norma Técnica E.050 ...................................... 17 Tabla 5.3 Desplazamientos para Alcanzar el Estado Activo ............................ 20 Tabla 5.4 Coeficientes de Rigidez del Suelo ...................................................... 23 Tabla 5.6 Elementos Químicos Dañinos a la Cimentación............................... 26

Anexo A Registro de Excavaciones

LISTA DE ANEXOS

Anexo B Ensayos de Laboratorio Anexo C Análisis Geotécnico

Capacidad de Carga Admisible y Asentamientos Anexo D Registro Fotográfico Anexo E Planos

PLANOS GENERALES

LISTA DE PLANOS

100-01 Plano de Investigaciones Geotécnicas - Planta 100-02 Plano de Secciones Geotécnicas

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RESUMEN EJECUTIVO

Este informe enfoca principalmente los aspectos geotécnicos para la cimentación del proyecto Centro Médico - UNI, ubicado en el campus universitario, en el distrito de El Rímac, que Coingec S.A.C. ha ejecutado para CENIP UNI.

El CENIP se encuentra en la actualidad desarrollando el proyecto Centro Médico UNI ubicado en el campus universitario junto al estadio y el comedor universitario.

El estudio con fine de cimentación consistió en trabajos de campo, excavación de calicatas, muestreo representativo de las mismas y evaluación geotécnica, que ha permitió identificar una unidad geotécnica existente en el lugar, conformada básicamente por depósitos aluviales del cono aluvial de Lima.

El alcance de los servicios de COINGEC incluye los estudios de campo, la recomendación del nivel de cimentación, parámetros de resistencia, análisis de capacidad portante de los suelos de cimentación, calculo de empujes, cuantificar la magnitud de los posibles asentamientos, modulo de balasto estático y dinámico.

El suelo de cimentación registrado es competente, se recomienda la cimentación a 1.8 m debajo de la superficie existente.

Dada las características del suelo de cimentación se recomiendo emplear zapatas aisladas o losas de cimentación.

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1.0 INTRODUCCIÓN

CENIP-UNI (en adelante CENIP) solicitó a COINGEC S.A.C. (en adelante COINGEC) la realización del estudio de Suelos con Fines de Cimentación del Proyecto Centro Médico UNI.

1.1 Ubicación del Área de Estudio

El proyecto está ubicado en el campus universitario, al costado del estadio, del comedor universitario, el centro de cómputo y frente a la facultad de Ingeniería Económica, en el distrito de El Rímac, provincia de Lima, departamento de Lima.

1.2 Objetivos del Estudio

El objetivo de este presente estudio es evaluar las características del terreno de fundación, con el fin de establecer la profundidad de cimentación, determinar parámetros de resistencia, análisis de capacidad portante de los suelos de fundación, cuantificar la magnitud de los posibles asentamientos, calculo de empujes, cálculo del modulo de balasto estático y dinámico..

1.3 Alcances del Trabajo

COINGEC desarrolló el proyecto llevando a cabo las siguientes tareas para el estudio del terreno de cimentación:

♦ Consolidación de la información con la generada por el programa de exploraciones;

♦ Planos de ubicación de las investigaciones;

♦ Registro de calicatas;

♦ Resultados de ensayos de de laboratorio;

♦ Caracterización geotécnica de cada área incluyendo clasificación SUCS del suelo;

♦ Perfiles geotécnicos, y posición del nivel freático;

♦ Caracterización química del suelo, definición de contenido de sales, sulfatos y cloruros y potencial de agresividad sobre el concreto;

♦ Capacidad de carga admisible y última del suelo (estático y sísmico);

♦ Asentamientos esperados y recomendaciones sobre su valor admisible (estático y dinámico);

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♦ Parámetros resistentes de las unidades geotécnicas presentes en el área de interés, como;

♦ Parámetros resistentes de las unidades geotécnicas presentes en el área de interés, como:

> Constante de balasto vertical (estático y dinámico);

> Parámetros elásticos incluyendo modulo de elasticidad;

> Parámetros de diseño para estructuras de contención y estructuras enterradas (estático y dinámico), como coeficientes de empuje activo, en reposo y pasivo, definición de pesos del material, cohesión y ángulo de fricción interna;

> Calculo de empujes de tierra estático y sísmico;

♦ Recomendaciones para el diseño de cimentaciones, incluyendo tipo de cimentación y cota de cimentación;

♦ Consideraciones para cimentaciones bajo cargas livianas y pesadas; y

♦ Recomendaciones constructivas.

1.4 Alcance del Informe

El alcance de este informe es proporcionar los análisis de ingeniería de cimentaciones que permitan el posterior diseño estructural de la edificación proyectada y su construcción.

Coingec obtuvo información de diversas fuentes acerca de datos de la geología y sismicidad de la zona. Toda esta información ha servido de base para el desarrollo de este estudio, el cual ha sido realizado siguiendo los lineamientos indicados en la norma E.050 de Suelos y Cimentaciones del Reglamento Nacional de Construcciones, cuyo uso es vinculante para proyectos de construcción de edificaciones a nivel nacional.

El estudio está orientado a determinar las características geotécnicas del suelo para fines de cimentación.

La obra se prevé ejecutar de acuerdo con la buena práctica constructiva, cumpliendo con los requisitos exigidos por el Reglamento Nacional de Edificaciones y la Ordenanza Nº 203 (Reglamento para la ejecución de obras en Área de Dominio Público).

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2.0 SISMICIDAD DE LA ZONA DE ESTUDIO

Dentro del territorio peruano se han establecido diversas zonas, las cuales presentan diferentes características de acuerdo a la mayor o menor presencia de sismos. Esta sismicidad es producto principalmente de la subducción de la Placa de Nazca debajo de la Placa Continental a lo largo de la costa peruana, con un índice de convergencia de aproximadamente 10 cm. por año.

Todos los valles de los Ríos costeros del Perú, contienen las zonas de Mayor Peligro Sísmico, por razones bastantes obvias. Las intensidades sísmicas relacionadas con los sedimentos aluviales tienden a ser más altas que la intensidad media observada en otros suelos de la Costa Peruana.

Con las características mecánicas y dinámicas determinadas de los suelos que conforman el terreno de cimentación del área de estudio, y las consideraciones dadas por el Código de Diseño Sismo resistente del Reglamento Nacional de Construcciones (Norma E-030, 2003), se han definido las características geotécnica-sísmicas de la zona de estudio:

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3.0 INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA DE CAMPO

Para el estudio de suelos con fines de Cimentación, COINGEC programó una investigación geotécnica complementaria que consistió en la ejecución de 03 calicatas de las cuales se tomo muestras representativas. Se describen a continuación las investigaciones desarrolladas y la información disponible utilizada.

3.1 Calicatas

El programa de investigación de campo se desarrolló entre el día 16 de Junio del 2011. COINGEC ejecutó un total de 03 calicatas convenientemente en toda el área de estudio disponible para investigación, con la finalidad de evaluar las condiciones geotécnicas de los materiales de cimentación. En cada una de las calicatas se llevó a cabo una detallada descripción de los tipos de suelos encontrados. Asimismo, se tomaron muestras disturbadas representativas, las cuales fueron identificadas y almacenadas en bolsas plásticas con la finalidad de efectuar ensayos posteriores de caracterización física y mecánica en laboratorio geotécnico.

Las calicatas fueron llevadas a cabo en forma manual. La Tabla 3.1 presenta un resumen de detalle de las calicatas realizadas. Como se puede observar la profundidad máxima alcanzada fue de 4.0 metros. En cada una de las calicatas se realizó un detallado registro y muestreo de los diferentes tipos de materiales existentes, habiéndose adicionalmente obtenido fotografías en cada ubicación. En el Anexo A se presentan los registros de las calicatas efectuadas. En el Anexo E se presenta el Plano Geotécnico CO-100-01, en el cual se muestra la ubicación de las calicatas, llevadas a cabo en este estudio.

Todas las muestras fueron trasladadas al laboratorio para la realización de ensayos índices y especiales de laboratorio de Mecánica de Suelos.

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TABLA 3.1 RESUMEN DE CALICATAS

CALICATA NIVEL AGUA (m)

RELLENO (m)

Df (m)

NIVEL ROCA

(m)

PROFUNDIDAD TOTAL (m)

C-01 NE 0.40 1.8 NR 4.0

C-02 NE 1.00 1.8 NR 4.0

C-03 NE 0.70 1.8 NR 4.0 Abreviaturas:

Df: Nivel de fundación registrado en campo

NE: No encontrado

NR: No registrado

3.2 Ensayos de Laboratorio

Para las muestras representativas de suelo obtenidas de las calicatas y perforaciones, se propuso un programa de ensayos de laboratorio que incluían ensayos para la determinación de propiedades índices, ensayos especiales y ensayos químicos, los cuales fueron realizados en un laboratorio geotécnico de confianza en la ciudad de Lima. A visos de clasificar y caracterizar los materiales se realizaron ensayos de contenido de humedad, ensayos granulométricos y de límites de Atterberg.

Entre los ensayos especiales realizados para caracterizar los parámetros geotécnicos de los materiales se tienen: 01 ensayo de clasificación y 03 ensayos químicos.

Todos los ensayos de laboratorio suelos fueron llevados a cabo siguiendo los procedimientos recomendados según las versiones actualizadas de los métodos de ensayo de la American Society for Testing and Materials (ASTM). Un resumen de los resultados obtenidos en laboratorio se presenta en las Tablas 3.5 al 3.8. El detalle de los ensayos de laboratorio efectuados se presenta en el Anexo B.

3.2.1 Ensayos Índice en Mecánica de Suelos

En las muestras seleccionadas obtenidas en la exploración de campo se llevaron a cabo ensayos estándar de laboratorio con fines de identificación y clasificación según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). Las propiedades índices de los suelos ensayados se resumen en la Tabla 3.2 en términos de granulometría, límites de plasticidad y contenido de humedad.

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TABLA 3.2 RESUMEN DE ENSAYOS DE LABORATORIO

CALICATA PROF. (m)

CLASIF. SUCS

D. GRANULOMETRICA LÍMITES DE ATTERBERG

CONTENIDO HUMEDAD

(%) Grava Arena Finos

(%) (%) (%) LL IP

C-01

1.5-2.0 GP 82.4 17.2 0.4 - - 0.67 Abreviaturas:

SUCS: Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

LL: Límite Líquido

IP: Índice Plástico

3.2.2 Ensayos Químicos

Se realizaron 3 ensayos químicos para evaluar principalmente el potencial de agresividad al concreto del suelo circundante en la cimentación con el que estaría en contacto las instalaciones auxiliares. Se realizaron los siguientes ensayos químicos:

♦ Contenido de Sales Solubles, NTP 339.152 / BS 1377;

♦ Contenido de Sulfatos Solubles, NTP 339.178 / AASHTO T290; y

♦ Contenido de Cloruros Solubles, AASHTO T291 / NTP 339.177.

Los resultados de estos ensayos se presentan en la siguiente tabla:

TABLA 3.3 RESUMEN DE ENSAYOS QUÍMICOS

CALICATA PROF. (m) PH SALES SOLUBLES

(ppm) SULFATOS

SOLUBLES (ppm) CLORUROS

SOLUBLES (ppm)

C-03 3.0 7.6 176 31.7 31.2

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4.0 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LA CIMENTACIÓN

El área del proyecto, se ubica en una zona urbana de superficie plana con presencia de estructuras.

Las investigaciones geotécnicas planteadas en campo sirvieron para identificar y definir el tipo de material predominante de cimentación a registrarse, de forma que permita zonificar, en Unidades Geotécnicas definidas por materiales de similares características físicas y mecánicas.

A continuación se hace referencia de lo concerniente a los resultados obtenidos en las investigaciones geotécnicas de campo.

4.1 Unidades Geotécnicas

Durante las investigaciones geotécnicas se ha registrado una sola unidad geotécnica predominante en el área estudio, correspondiendo a: Depósitos aluviales (Unidad Geotécnica I).

4.1.1 Depósito Aluvial (Unidad Geotécnica I)

Conformado por suelos cuya formación es producida por transporte y depositados en espesores potentes, los cuales están ubicados en el cono deyectivo de lima, compuesta gravas pobremente gradas con limos, de plasticidad nula, con compacidad suelta a densa, en condición baja humedad, de formas redondeadas y con boloneria de tamaño máximo de 16” en un 40%.

Estos depósitos dada sus características gruesas son adecuados para propósitos de cimentación, sin embargo es necesario considerar la eliminación del material de cobertura, así como, parte del material muy suelto y poco competente.

4.1.2 Nivel de Agua

En las calicatas realizadas en el área de estudio, no se ha encontraron niveles freáticos, sin embargo los análisis de capacidad portante se considera la condición mas critica o falla local.

4.1.3 Nivel de Cimentación

Durante la investigación geotécnica se determinaron los niveles de desplante de la

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cimentación de la estructura, siendo el criterio de inspección de estos niveles principalmente en encontrar un basamento rígido ó no cedente que permita soportar las solicitaciones de carga y evite los asentamientos diferenciales pronunciados, asegurándose que los depósitos subyacentes a este nivel sean de las mismas características en profundidad hasta el encuentro de un material más denso.

El nivel de cimentación recomendable se encuentra a 1.8 m debajo de la superficie existente, cuyo material de origen aluvial continua hasta profundidades mayores a 40 m, densificándose a profundidad, por lo tanto son adecuados para cimentación de estructuras. Los materiales a partir del nivel de terreno natural se deberán remover y eliminar durante la construcción.

4.2 Parámetros Geotécnicos

A continuación se muestra una descripción de los parámetros de resistencia del suelo.

4.2.1 Parámetros de Esfuerzo de Corte de Suelo

Las propiedades de los materiales fueron obtenidas a partir de las investigaciones geotécnicas de campo, ensayos de laboratorio realizados en muestras representativas de cada uno de los materiales involucrados y a partir de la experiencia de Coingec en el análisis con materiales similares en otros proyectos, se determinó los parámetros físicos y de resistencia para cada tipo de material que conforma el terreno de fundación de la estructura a construirse.

Con la finalidad de establecer los parámetros de resistencia cortante del material constituyente de los taludes se ha recopilado información de ensayos de corte directo in situ, realizados con anterioridad en la ciudad de Lima: la Universidad Nacional de Ingeniería (1972) realizó tres ensayos de corte directo in-situ en el conglomerado de la ciudad de Lima, donde se obtuvieron valores de φ de 35 a 40º, con una cohesión de 0.4 a 0.5 kg/cm2, característicos en estos tipos de suelos. Posteriormente Shuan (1997) para el Intercambio Vial Universitaria-Venezuela para un material GP-GM obtuvo valores de φ = 34º y C = 0.15 kg/cm 2. En el 2001 Cañari realizó un ensayo de corte directo in situ en la grava GP del acantilado de la Costa Verde en Miraflores arrojando resultados de 40º de fricción y 0.55 kg/cm2 de cohesión. En enero del 2008 Alva realizó un ensayo de corte directo in situ en San Isidro, entre la Av República de Panamá y las

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calles San Cristóbal y Miguel Seminario, obteniendo valores de φ = 43.5º y C = 0.27 kg/cm2. Asimismo, se han tenido en cuenta las recopilaciones e investigaciones realizadas en los acantilados de Lima ejecutadas por Cañari (2001) y Macazana (2006).

En la Tabla 4.1 se presentan los parámetros geotécnicos de resistencia cortante, utilizados en el cálculo de la capacidad admisible y asentamiento de las cimentaciones.

TABLA 4.1 PARÁMETROS DE PROPIEDADES DE MATERIALES

ESTRATO CLASIF. SUCS γ

(kN/m3) COHESIÓN

(kPa) ÁNGULO DE FRICCIÓN (º)

Grava natural GP 22 0 36

4.2.2 Parámetros Elásticos y Dinámicas.

En función de los ensayos de refracción sísmica ejecutados por el CISMID UNI en la zona de estudio se ha determinado propiedades elásticas del suelo de cimentación conformado por gravas pobremente gradadas con arena, de consistencia medianamente densa a densa a nivel de cimentación proyectado ( de 1.5 m a 2.0 m de la superficie existente). En la tabla 4.2 se hace un resumen de las propiedades elásticas y dinámicas.

TABLA 4.2 PARÁMETROS DE PROPIEDADES ELASTICAS Y DINÁMICAS

ESTRATO CLASIF. SUCS POISSON Ed (MPa) Ee (MPa)

Grava natural GP 0.28 1200 120

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5.0 ANÁLISIS GEOTÉCNICO DE LA CIMENTACIÓN

En esta sección se realiza el análisis de la cimentación para el área estudiada, se propone la profundidad de cimentación más recomendable de la estructura y las condiciones apropiadas de cimentación.

5.1 Capacidad de Carga Admisible

Se ha calculado la capacidad admisible de carga utilizando el criterio de Terzaghi-Peck (1967), modificado por Vesic (1973), según el cual la capacidad de carga última se expresa por la siguiente ecuación:

γγγ N.B.S.21N.q.SN.c.Sq qqccult ++=

Siendo la capacidad admisible de carga FSqq ult

adm = , donde:

FS : factor de seguridad = 3.0 Nc, Nq, Nγ : factores de capacidad de carga Sc, Sq, Sγ : factores de forma c : cohesión (kPa) q : presión de sobrecarga (kPa) = γ.h γ : peso unitario del suelo (kN/m3) h : profundidad de cimentación (m) B : ancho de la cimentación (m)

Las áreas de emplazamiento de la estructura, se proyecta sobre depósitos aluviales cubiertos por material de relleno, según los registros de investigaciones de campo, el nivel de cimentación recomendable se encuentra a partir de 1.8 m desde la superficie de terreno existente; sin embargo, el diseño debe contemplar el retiro íntegramente del material de relleno en la parte superficial y un buna potencia del material natural hasta alcanzar la cota de diseño.

La Tabla 5.1 resume los valores de capacidad de carga última y admisible obtenidos para la estructura, considerando el suelo de cimentación de acuerdo a su ubicación y emplazamiento. Para el parámetro B se asumió que todas las cimentaciones son de

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forma cuadrada con anchos que varían de 1.5, 2,0 y 3.0 m; así mismo, la profundidad de cimentación, Df no menor de 1.8 m, que es mayor al valor mínimo recomendada por el Reglamento Nacional de Construcciones del Perú (RNC-2006), la cual será considerada luego de retirar íntegramente la cobertura de material orgánico y material aluvial suelto estimada en las investigaciones geotécnicas.

TABLA 5.1 CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA Y ADMISIBLE

INSTALACIÓN TIPO DE CIMENTACIÓN

Ancho "B" (m)

Largo "L" (m)

Nivel de Cimentación "Df"

qadm (kg/cm2)

σasent (Kpa)

Asent. (cm)

Centro Médico

Cuadrada

1.5 1.5 1.8 6.86

50 0.078

100 0.156

200 0.312

400 0.624

2.0 2.0 1.8 7.23

50 0.109

100 0.217

200 0.434

400 0.868

Cuadrada

2.5 2.5 1.8 7.36

50 0.142

100 0.284

200 0.567

400 1.135

3.0 3.0 1.8 7.57

50 0.175

100 0.351

200 0.701

400 1.403

De acuerdo a los características de la estructura, se estima que la carga que transmitirá las estructuras, serán de regular consideración, por lo que se estima aplicar a la cimentación una carga aproximada entre 50 kPa a 400 kPa (0.5 a 4.0 kg/cm2), siendo estos valores mucho menores y próximos a la capacidad de carga admisible calculada del suelo natural, por lo tanto se espera apropiadas condiciones de cimentación. En el Anexo C de este informe se presenta el cálculo de la capacidad de carga de cimentación. Dicho cálculo contienen información de los datos generales de la cimentación.

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5.2 Análisis de Asentamientos

Los asentamientos se determinan por medio de la teoría elástica, mediante la siguiente expresión:

EIBq

Si f).1(. 2µ−∆=

En donde: Si : asentamiento (cm) Δq : presión transmitida a la cimentación (kPa) B : ancho de la cimentación (cm) L : largo de la cimentación (cm) μ : coeficiente de Poisson

If : factor de influencia (depende de B/L)

Asumiendo conservadoramente un módulo de elasticidad relativamente bajo para la grava pobremente gradada con arena, de compacidad densa (E=120 MPa), con un coeficiente de Poisson (µ) que de 0.28 y considerando una presión de contacto igual a la carga admisible obtenida en la Tabla 5.1, se reemplazan valores en la ecuación de asentamiento elástico, obteniéndose un asentamiento como el que se muestran en la Tabla 5.1. En el Anexo C de este informe se presenta el cálculo del asentamiento elástico de la cimentación.

5.2.1 Condiciones de Excentricidad de la Carga

Para cimentaciones con carga excéntrica, la carga máxima soportada por la cimentación puede ser evaluada usando Meyerhof (1953):

eyexaa RRBLqP )(= ,

Donde Pa es la carga admisible; qa es capacidad de carga admisible, B y L son las dimensiones de la cimentación, Rex y Rey son los factores de reducción por excentricidad definidos por:

Be

R xex 21−=

, Be

R yey 21−=

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Los valores ex y ey corresponden a las excentricidades en cada eje de la cimentación, y son obtenidos dividiendo el total de la carga vertical (P) entre el momento actuante de la fundación (M). Para evitar esfuerzos en tensión en la interfase cimentación/suelo, los valores de las excentricidades deben ser menores a 1/6 de la dimensión analizada por su correspondiente eje.

Por otro lado, cuando se presenta excentricidad de la carga se produce una distribución no uniforme de los esfuerzos transmitidos en la cimentación. Este problema de esfuerzos no uniformes, se resuelve de una manera práctica calculando la capacidad de carga para una condición de esfuerzos uniformes (sin excentricidad), con la condición de que el valor de capacidad de carga calculado sea mayor que el máximo esfuerzo transmitido por la estructura.

5.3 Capacidad de Carga con Sismo

De acuerdo a la evaluación realizada de la capacidad de carga de las diferentes instalaciones del proyecto considerando efecto sísmico, y utilizando los procedimientos recomendados por Braja M. Das, Richards et al. (1999) y Awad Ali Al-Karmi (1993), se concluye que la capacidad de carga admisible estática en cada caso deberá ser incrementada en 30% para considerar el efecto de cargas de corta duración, tales como un movimiento sísmico.

Lo anterior se debe a que los suelos granulares prácticamente no experimentan cambios en sus propiedades de resistencia cortante debido a las relativas altas frecuencias del movimiento sísmico, por lo tanto, tampoco es de esperar cambios en la capacidad de carga última del suelo. Por lo tanto, debido a la naturaleza transitoria del sismo, es común utilizar un factor de seguridad menor para el cálculo de la capacidad admisible

5.4 Asentamientos Recomendables

De acuerdo a las características de las estructuras podemos recomendar que el asentamiento diferencial permisible deba ser controlado por el criterio de la distorsión angular.

Se presenta en la siguiente tabla los valores de distorsión angular permisibles según la

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Norma Peruana E.050 de Suelos y Cimentaciones.

TABLA 5.2 DISTORSIÓN ANGULAR - NORMA TÉCNICA E.050

α = δ/L DESCRIPCIÓN

1/150 Límite en el que se debe esperar daño estructural en edificios convencionales.

1/250 Límite en que la pérdida de verticalidad de edificios altos y rígidos puede ser visible.

1/300 Límite en que se debe esperar dificultades con puentes grúas. 1/300 Límite en que se debe esperar las primeras grietas en paredes. 1/500 Límite seguro para edificios en los que no se permiten grietas.

1/500 Límite para cimentaciones rígidas circulares o para anillos de cimentación de estructuras rígidas, altas y esbeltas.

1/650 Límite para edificios rígidos de concreto cimentados sobre un solado con espesor aproximado de 1,20 m.

1/750 Límite donde se esperan dificultades en maquinaria sensible a asentamientos.

Sin embargo para fines de evaluación y control de diseño, se considera como máximo asentamiento permisible 2.5 cm.

5.5 Condiciones de Diseño para Cimentaciones

El diseño de las cimentaciones estará condicionado al criterio de Área de Compresión y Factores de Seguridad.

5.5.1 Área de Compresión

Se recomienda los siguientes porcentajes mínimos del área de la base de las zapatas que deberán estar en compresión durante el periodo de servicio de estas estructuras.

♦ Apoyo en suelo granular denso (considera caso m desfavorable correspondiente a arenas compactas)

80%

5.5.2 Factores de Seguridad (FS) ♦ Deslizamiento y volcamiento estático FSED≥1.5

FSEV≥1.5

♦ Deslizamiento y volcamiento sísmico para fundaciones estructuras en general

FSSD≥1.3

FSSV≥1.3

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♦ Deslizamiento sísmico muros de contención que pueda experimentar corrimientos horizontales

FSSD≥1.1

♦ Volcamiento sísmico muros de contención. Esta condición de verificarse cualquiera sea el valor de FSSD, pero no se exigi si se verifica FSSV ≥ 1.0 al utilizar un coeficiente sísmico kH 0.20 en la expresión de Mononobe y Okabe.

FSSV ≥

1.15

FSSD

♦ La resistencia al deslizamiento se determinará con l siguientes parámetros a nivel de sello de fundación:

♦ Apoyo en relleno compactado o en granular natural denso

φb =

85%φrelleno

5.6 Parámetros de Diseño de Estructuras de Contención

El material que contendrá la estructura de contención estará conformado material propio, este material estará constituido por grava pobremente gradada con limo, gravas limosas identificadas en el presente estudio.

De acuerdo a las caracteristicas del material y a la revisión de información descrita en el ítem 4.2.1. Coingec recomienda considerar un ángulo de fricción interna de 36° y cohesión nula.

5.6.1 Coeficiente de Presión Lateral de Tierras

Los coeficientes de empuje de tierras se evalúan en función del movimiento relativo del muro o estructura de contención.

a) Para un muro que está impedido de desplazarse, el coeficiente de presión en reposo de acuerdo a Jaky (1944) se estima mediante la presente expresión:

φsenK −=10

Por lo tanto, se obtiene un valor de K0 es de 0.412 para los suelos aluviales sueltos a medianamente densos de los cortes en este material. Esta condición puede ser aplicable a los muros muy rígidos que no permitan ningún tipo de desplazamiento.

b) En lo que corresponde al empuje activo de tierras, para que esta condición ocurra el muro debe desplazarse ligeramente hacia afuera formando una cuña activa, por lo que

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el coeficiente de presión activa de Coulomb KA, se estima mediante la siguiente expresión genérica:

2

2

2

)cos()cos()()(1)cos()(cos

)(cos

−+−+

++

−=

θβθδβφφδθδθ

θφ

sensenK A

Donde:

γ = peso específico del suelo. φ = coeficiente de fricción interna del suelo. θ = ángulo que forma la pared interior del muro con la vertical. δ = ángulo de fricción entre el muro y el suelo. β = ángulo que forma la superficie del suelo con la horizontal.

De acuerdo a la expresión anterior para un ángulo de fricción de 36˚ el valor estimado es de KA = 0.259. Este valor es válido considerando relleno horizontal (β =

0), muro vertical y sin fricción entre el muro y el suelo (δ = 0).

c) En lo referente al empuje pasivo, el coeficiente correspondiente a la presión pasiva dada por Coulomb es:

2

2

2

)cos()cos()()(1)cos()(cos

)(cos

−−++

−−

−=

θβθδβφφδ

θδθ

θφ

sensenK P

5.6.2 Resumen de Coeficientes de Empuje

De acuerdo a las expresiones indicadas anteriormente para un ángulo de fricción de 36˚ que corresponde a un suelo aluvial denso que corresponde al material propio de la zona, los valores estimados de los coeficientes de empuje son los siguientes:

♦ K0 = 0.412;

♦ KA = 0.26; y

♦ KP = 3.85.

Los valores de KA y KP indicados anteriormente son válidos considerando relleno

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horizontal (β= 0), muro vertical y sin fricción entre el muro y el suelo (δ= 0).

5.6.3 Comentarios Adicionales

Se presentan los siguientes comentarios adicionales con relación a los coeficientes de empuje recomendados:

♦ El proyectista deberá definir en qué casos utilizar el coeficiente de empuje en reposo puede ser utilizado. Se considera que por lo menos el 50% del empuje pasivo se desarrolla en la zona frontal del muro que se encuentra enterrada y que está siendo empujada por las fuerzas producto del empuje activo. Se considera solo 50% debido a que los desplazamientos para alcanzar el empuje pasivo son mucho mayores que para alcanzar el empuje activo, por lo que las 2 condiciones no pueden ocurrir en un mismo problema;

♦ En la siguiente tabla se presentan rangos de valores de desplazamientos horizontales que producen una rotación del muro, lo suficiente para alcanzar el estado pasivo. Como se puede observar estos desplazamientos dependen del tipo de material y de la altura del muro;

TABLA 5.3 DESPLAZAMIENTOS PARA ALCANZAR EL ESTADO ACTIVO

SUELO Y CONDICIÓN DESPLAZAMIENTO Denso, no cohesivo 0.001 a 0.002 H Suelto, no cohesivo 0.002 a 0.004 H

Firme, cohesivo 0.01 a 0.02 H

Blando, cohesivo 0.02 a 0.05 H

De: Foundation Analysis and Design (Bowles, 1996)

♦ Los casos intermedios entre K0 y KA deberán ser definidos por el proyectista lo cual dependerá básicamente de los desplazamientos laterales que el muro pueda alcanzar. Se recomienda que si el muro está impedido de desplazarse, utilizar el estado en reposo (K0); y

♦ De manera conservadora, no se ha considerado ningún efecto de cohesión debido a que este factor reduce los empujes en estructuras de contención y además debido a que el parámetro de cohesión es solo aparente y se puede modificar en función del contenido de humedad del suelo, pudiendo eventualmente reducirse a cero.

5.6.4 Coeficiente de Presión Activa para Condiciones Sísmicas

La teoría de la presión activa de Coulomb se extiende para tomar en cuenta las fuerzas

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generadas por un sismo. A las fuerzas que comúnmente se estudian en el muro en condiciones estáticas hay que incorporarle las fuerzas sísmicas kh y kv, donde W es el peso de la cuña deslizante, en las direcciones horizontal y vertical, respectivamente.

De acuerdo a la literatura técnica internacional, el problema de determinar cuál es la fuerza sísmica equivalente que actúa sobre una estructura de contención se define como una condición muy compleja. Las recomendaciones para la ejecución de análisis pseudo-estático de taludes y muros, indican que el coeficiente sísmico horizontal debe ser de 1/3 a 1/2 de la aceleración máxima. En la medida que los suelos que se utilizarán como relleno de las estructuras de contención sean compactados y por lo tanto, tendrán naturaleza rígida, se recomienda utilizar el valor límite superior del rango antes mencionado, es decir, un valor de kh = 0.20 y kv=0.10, si bien Seed y Whitman (1970) indican que el coeficiente sísmico vertical Kv se puede despreciar.

El coeficiente activo de tierras para consideraciones sísmicas se calcula mediante la siguiente expresión:

2

2

2

)cos()cos()()(1)cos()(cos)cos(

)(cos

−++−−+

+++

−−=

θβψθδψβφφδψθδθψ

ψθφ

sensenK AE

Donde

= −

v

h

kk

1tan 1ψ

Siendo;

γ = peso específico del suelo. φ = coeficiente de fricción interna del suelo. θ = ángulo que forma la pared interior del muro con la vertical. δ = ángulo de fricción entre el muro y el suelo. β = ángulo que forma la superficie del suelo con la horizontal.

Seguidamente recomendamos 2 criterios de cálculo de empuje símico: el método sugerido por Calavera (2006) y el método de la norma Chilena NCh-433 (Ortigosa y

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Musante, 1991).

5.6.5 Empuje por Acción Sísmica en Muros que no se Desplazan (Calavera,

2006)

Un procedimiento aproximado es suponer incrementado el empuje dinámico activo (KAE) en la diferencia entre el coeficiente de empuje al reposo (K0) y el de empuje activo (KA), con lo que el empuje total será:

))(1(21 2

AoAES KKKkvHE −+±= γ

Donde

KAE : coeficiente de empuje sísmico K0 : coeficiente de empuje en reposo

KA : coeficiente de empuje activo

De donde se deduce que el incremento de empuje debido al sismo es:

[ ][ ]oAoAES KKKKkvHE −−+±=∆ )1(21 2γ

Y actúa a una profundidad de 0.5H, superponiéndose al empuje estático que actúa en general en otra ubicación.

5.6.6 Método Cinemático (Norma Chilena-433, 1991)

La aplicación para definir la componente sísmica del empuje sobre muros subterráneos de edificios se esquematizan con el modelo expuesto en la Figura 5.1. En este modelo considera que el desplazamiento horizontal sísmico del suelo relativo al nivel de fundación del edificio, δe, se aplica en base a los resortes de interacción, KH, dispuestos entre el muro y el suelo. La componente sísmica del empuje sobre el muro, σs, se determina según la siguiente expresión:

( )eSH

SK

δδσ −Ω

=

Donde Ω es el área de aporte de un resorte en particular y δs es el desplazamiento horizontal experimentado por el muro subterráneo debido a la acción de σs.

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De acuerdo a los resultados obtenidos con el método cinemático de la Norma Ch-33, donde el componente sísmico del empuje se asemeja a una distribución uniforme en toda la altura del muro, cuya amplitud se define en la siguiente ecuación, la cual es válida para una superficie horizontal del suelo en torno a la estructura.

maxsrS HCC γσ =

Donde:

Cr : rigidez adimensional dependiente del tipo de suelo en contacto con el muro

γ : peso unitario

H : altura del muro subterráneo

Csmax : coeficiente sísmico efectivo máximo dependiente de la zona

Para el caso del proyecto la aceleración máxima en la zona es 0.40g de acuerdo al estudio de peligro sísmico realizado por Castillo y Alva (1987); por lo tanto, el coeficiente sísmico efectivo para este caso es de 0.20.

Por otro lado, los coeficientes de rigidez del suelo según la Norma Chilena NCh-433, son presentados en la siguiente tabla.

TABLA 5.4 COEFICIENTES DE RIGIDEZ DEL SUELO

SUELO Cr Suelo Suelto (S) 0.70 Intermedio (I) 0.58

Denso (D) 0.45

Debido a que el suelo que contendrá el muro es medianamente denso a denso, entonces el valor de Cr a utilizar deberán corresponder a un suelo medianamente denso, es decir, Cr=0.50

De acuerdo a lo expuesto el empuje sísmico queda expresado de la siguiente forma:

2max HCCE srS γ=

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5.6.7 Formulación Propuesta para el Coeficiente de Balasto Vertical

A partir de la determinación de parámetros característicos del material de cimentación (módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson, tensión admisible, etc.), se puede obtener el coeficiente de balasto mediante expresiones propuestas por varios autores.

Apoyo Sobre Material Granular Compacto El coeficiente de balasto vertical para suelos granulares compactos se obtiene de la siguiente expresión:

ρορ IBI

Kv200,7

= (t/m3)

Coeficiente de balasto vertical para gravas naturales muy compactas:

ρορ IBI

Kv000,10

= (t/m3),

Donde:

LBI

/5.015.1

+= , ρI de grafico adjunto (Figura 5.2)

De los datos obtenidos y las expresiones empíricas se ha logrado estimar el modulo de balasto para el suelo de cimentación (Kv 30) en el orden 10 K/cm3.

De la formulación empírica del Item 5.6.7 en función a las características del material de cimentación existente conformado por gravas medianamente densas a densas se puede obtener parámetros ya transformados en función a las dimensiones de las zapatas.

Se define a continuación un método simplificado para el cálculo del coeficiente de balasto de una zapata de cimentación rectangular a partir del ensayo de placa de carga de 30x30cm (K30).

♦ B: ancho equivalente de la zapata (m). Es un parámetro que depende de la rigidez de la estructura, y de la rigidez de la cimentación. En el caso de losas un valor aproximado para B puede ser la luz media entre pilares. Una referencia para profundizar en el valor del ancho equivalente es Das (1999), en ella se puede consultar lo correspondiente a losas semiflexibles, con grandes y pequeñas luces entre pilares (es para este caso cuando es adecuado tomar como ancho equivalente la

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luz media entre pilares). El tomar B como ancho de la losa conduce a módulos de balasto excesivamente bajos;

♦ L: lado mayor o longitud de la losa (m); ♦ Ks,30: coeficiente de balasto obtenido en placa de 30x30cm (kN/m3); ♦ Ks, cuadrada: coeficiente de balasto de la zapata cuadrada (kN/m3); y ♦ Ks, rectangular: coeficiente de balasto de la zapata rectangular (kN/m3).

Para el cálculo del coeficiente de balasto de la zapata rectangular es necesario calcular primero el de la zapata cuadrada, mediante la siguiente expresión (Terzaghi 1955):

+=

LBKK cuadradaSgularrecS 2

132

,tan,

Donde ks,cuadrada se determina en función del tipo de suelo y del ensayo de placa de carga de 30x30. Para suelos arenosos o granulares:

2

30,,, 230.0

+

=B

BKK SarensocuadradaS

5.7 Agresión Química a las Estructuras

De acuerdo con los criterios del Comité 318-83 del ACI presentados en la Tabla 3.8, se puede concluir que la muestra presenta un contenido de sulfatos con potencial de ataque despreciable al concreto.

En términos de contenido de sales solubles y contenido de cloruros de las muestras extraídas en la investigación de campo, presentan un contenido por debajo del límite en el que es de esperar, por lo que no espera problemas de corrosión en refuerzos metálicos ni pérdida de resistencia mecánica de suelo de fundación por lixiviación de sales (ver Tabla 5.6), de acuerdo a los valores mostrados en la Tabla 3.3.

La siguiente tabla resume los criterios utilizados para definir los contenidos químicos que son agresivos para la cimentación.

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TABLA 5.5 ELEMENTOS QUÍMICOS DAÑINOS A LA CIMENTACIÓN

ELEMENTO QUÍMICO p.p.m. GRADO DE DAÑO POTENCIAL COMENTARIOS

* Sulfatos en agua

0 - 150

150 - 1500

1500 - 10,000

> 10,000

Despreciable

Moderado

Severo

Muy Severo

Problemas de corrosión en el concreto de la cimentación.

** Cloruros > 6000 Dañino Problemas de corrosión del refuerzo metálico.

** Sales Solubles Totales > 15,000 Dañino

Pérdida de resistencia mecánica del suelo debido a problemas de

lixiviación. Notas: * 318-83 ACI Committee ** Experiencia existente

5.8 Parámetros de Diseño Sísmico

Esta zona está conformada los estratos de grava potentes que conforman los conos de deyección de los ríos Rímac y Chillón, y los estratos de grava coluvial–aluvial de los pies de las laderas, que se encuentran a nivel superficial o cubiertos por un estrato de material fino de poco espesor. Este suelo tiene un comportamiento rígido, con periodos de vibración natural determinados por las mediciones de microtrepidaciones que varían entre 0.1 y 0.3 s. Para la evaluación del peligro sísmico a nivel de superficie del terreno, se considera que el factor de amplificación sísmica por efecto local del suelo en esta zona es S = 1.0 y el periodo natural del suelo es Ts = 0.4 s, correspondiendo a un suelo tipo 1 de la norma sismorresistente peruana (Estudio de Vulnerabilidad y Riesgo Sísmico En Lima Y Callao CISMID – UNI, 2005).

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6.0 CONCLUSIONES

Según los resultados obtenidos de la investigación geotécnica, de los ensayos de laboratorio y los análisis realizados se presentan las siguientes conclusiones y recomendaciones para la cimentación de la estructura proyectada en esta zona:

♦ En el área de cimentación de la estructura, se ha reconocido una sola unidad geotécnica conformada por depósito de origen aluvial muy potentes que forma parte del cono defectivo del río Rímac ;

♦ La cimentación de la estructura se desplantará sobre la unidad geotécnica I que son los depósitos aluviales en su totalidad, conformados por gravas pobremente gradada medianamente densas a densas;

♦ Los resultados de los análisis químicos, arrojaron despreciable contenido de sulfatos, los cuales no pueden ser dañinos al concreto;

♦ Los parámetros geotécnicos utilizados en el modelo geotécnico implementado ha sido determinado en base a los ensayos de laboratorio revisión de instigaciones ejecutadas en estructuras aledañas próximas a la zona de estudio;

♦ El nivel de cimentación se ubica a una profundidad de 1.8 m por debajo de la superficie del terreno, conformado por material gravoso medianamente denso a denso a mayor profundidad, de acuerdo a los registros de las calicatas;

♦ La cimentación recomendable es del tipo cimentación cuadra y rectangular aislada para evitar fisuras en la esta de asentamientos iniciales, que a dimensiones mayores incrementarán la capacidad de carga admisible calculada;

♦ La capacidad de carga admisible determinada para las dimensiones de la zapata de las dimensiones ya mencionadas y condiciones del subsuelo se detallen en la Tabla 5.1;

♦ Para el cálculo de los asentamientos se ha asumido un rango de cargas de servicio entre 50 kPa a 400 kPa, que de acuerdo a los cálculos realizados los asentamiento están entre de 0.624 cm a 1.40 cm respectivamente, menores a los límites permisibles estipulados en este estudio;

♦ Se recomienda usar un coeficiente de balasto Kv,30 de 10 K/cm3.

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7.0 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y CONSTRUCTIVAS

7.1 Generalidades

En necesario que el relleno estructural sea obtenido de una fuente de préstamo aprobada y colocado cumpliendo con los requerimientos de relleno estructural aquí descritos. Todos los cortes y rellenos deberán ser nivelados con una inclinación no mayor a lo recomendado en este capítulo, a menos que se muestre algo diferente en los planos de construcción, o que el ingeniero geotécnico apruebe algo diferente.

7.2 Excavaciones

Los trabajos de excavación se harán en forma mecanizada hasta 20 cm antes del nivel de cimentación, luego continuar en forma manual a objeto de evitar la sobre excavación y no alterar la estructura natural del suelo.

El suelo natural admite cortes verticales hasta las profundidades del nivel de cimentación no mayores a 1.5 m, sin necesidad de entibaciones.

El fondo de las excavaciones deberá quedar horizontal y formar ángulos rectos con todas sus caras laterales. Todos sus planos deben quedar claramente definidos y regulares. Para obtener esta terminación de los fondos de excavaciones, se exigirá que los últimos 20 cm de la excavación sean ejecutados con herramientas manuales.

Cualquier sobre excavación que se produzca en profundidad deberá rellenarse con concreto pobre de dos bolsas de cemento por metro cúbico de agregado, quedando expresamente prohibido cualquier otro tipo de relleno. Sin embargo la sobre excavación resultante en los costados por sobre el nivel de cimentación podrá ser rellenada con material proveniente de la misma excavación, el que podrá ser colocado con compactación liviana.

7.3 Tratamiento del Nivel de Cimentación

Con anterioridad a la colocación del solado de concreto pobre ó relleno, se deberá remover del nivel de cimentación todo material suelto y/o extraño que pudiera haberse depositado durante las faenas de excavación. No se requiere ser recompactado.

El perfilado de las excavaciones para las fundaciones, deberá incluir la horizontalidad del nivel de cimentación y la verticalidad de las paredes. Se deberá evitar la

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concavidad en la unión del nivel de cimentación con las paredes de la cimentación.

7.4 Recepción del Nivel de Cimentación

Previo a la colocación de del emplantillado, se debe solicitar a la supervisión la recepción de los niveles de cimentación, la que deberá verificar el cumplimiento de las especificaciones de este informe.

Cualquier situación no prevista en el presente informe, así como modificaciones que se deseara realizar en su contenido, deberá ser consultada y aprobadas por el consultor conjuntamente con el supervisor.

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8.0 REFERENCIAS

Cañari, M. (2001), “Análisis de la Estabilidad de Taludes de la Costa Verde”, Tesis para Optar el Grado el Título Profesional de Ingeniero Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima.

Carrillo, A. (1987), “Gravas del Conglomerado de Lima”, VIII CPMSIF – PCSMFE, 16 – 21 Agosto, Cartagena, Colombia.

Carrión, M. (2001), “Análisis de Estructuras Geotécnicas Asistido por Computadora”, Tesis para Optar el Título Profesional de Ingeniero Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima.

Castillo J. y Alva J. (1993). “Peligro Sísmico en el Perú”, VII Congreso Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Lima, pp.409-431.

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