Introducción

El suelo se considera un recurso de origen natural finito que no se puede renovar y que se puede utilizar para múltiples actividades¹.

La estructura de un suelo se compone de material sólido o granos que conforman su esqueleto mineralógico resistente y de vacíos entre sus partículas contienen aire, agua o una mezcla de estos².

Las obras del ámbito de ingeniería se apoyan sobre el suelo y también la pueden utilizar como material para construir (…), su capacidad estable, características funcionales y estéticas se encuentran determinadas por su desempeño en la profundidad de influencia de los esfuerzos provocados³.

La caracterización de un subsuelo y análisis geotécnico permite realizar la evaluación de sus factores naturales, antrópicos que tienen relevancia en su inestabilidad y los efectos que los fenómenos provocan⁴.

La capacidad de carga es un tema muy complejo, existiendo amplia información en las distintas referencias bibliografías, para los cálculos realizados en su obtención de factores, existiendo gráficas, múltiples tablas y ecuaciones⁵.

Existen diversos métodos para determinar la capacidad portante del suelo dentro de los cuales destaca el Terzaghi⁶ que considera que si se aplica una carga en un área limitada sobre o debajo en la superficie del suelo, el área cargada se asienta, este método utiliza la formula qu=cNcsc+qNq+12γBNγsγ, el método de Meyernhof⁷ que determina la capacidad de carga de cimentaciones extendidas de diversas formas bajo una carga vertical central y describe los efectos de la profundidad de la cimentación, la excentricidad y la inclinación de la carga utilizando la formulaqu=cNcscdcic+qNqsqdqiq+12γBNγsγdγiγ, el método de Hansen et al.⁸ que adicionalmente al método anterior utiliza fórmulas generales con modificaciones para el calculado de la presión pasiva de la tierra y modificaciones para parámetros específicos del suelo y factores de seguridad con la formula qu=cNcscdcicgcbc+qNqsqdqiqgqbq+12γBNYsγdγiγgγbγ  y el método de Vésic⁹, que emplea perspectiva moderna como la incorporación, de la evaluación de los efectos de la compresibilidad del suelo utilizando la una fórmula que pueda considerar dichos factores de la siguiente manera qu=cNcscdcicgcbc+qNqsqdqiqgqbq+12γBNYsγdγiγgγbγ.

Los valores de los ensayos previos permiten obtener el Ángulo de Fricción interna y la Cohesión permitiendo determinar la profundidad de desplante, el ancho de cimentación y los parámetros geotécnico para obtener la capacidad portante del suelo¹⁰.

En las cimentaciones se define como capacidad portante a la característica del suelo para controlar las cargas a las que es sometido. De manera técnica la capacidad portante es la presión máxima media de contacto entre el terreno y la cimentación, con la finalidad de que no se observen fallas por cortante del suelo o un asentamiento diferencial en exceso¹¹.

La capacidad de soporte de un determinado suelo, refleja su comportamiento funcional, en otras palabras, interviene para reducir las deformaciones en la edificación, logrando su eficiencia dentro del comportamiento estructural, dependiendo las dimensiones de la construcción y sus cargas sometidas¹².

La falta de una metodología para la caracterización del suelo, ocasiona proyectos inconclusos, fallas en las construcciones y colapsos que ponen en riesgo la vida humana y ocasionan pérdidas económicas¹³.

El objetivo de esta investigación fue determinar cuál es la comparación de los métodos semiempíricos para determinar la capacidad admisible de suelos para cimentación de viviendas unifamiliares.

Materiales y métodos

El estudio un enfoque cuantitativo, debido a que está apoyada en procesos numéricos y utilizando la observación para su proceso de recolectar datos.

El tipo de investigación fue aplicada, sustentando que tiene por fin brindar soluciones a las problemáticas de un lugar, utilizando los conocimientos técnicos.

El diseño de investigación se caracteriza por ser no experimental, ello debido a que no existe manipulación deliberada de sus variables, solo observando sus fenómenos de forma natural, para estudiarlos.

Asimismo, se es importante señalar que el nivel de investigación es descriptivo ya que tiene por fin especificar características de la población, usuarios o los fenómenos de estudio.

En este sentido se ha tomado como población los suelos existentes en el distrito de San Martín de Porres, en la provincia y departamento de Lima.

Los procedimientos incluyen la realización del ensayo triaxial tiene por finalidad realizar la medición de la resistencia cortante de diferentes tipos de suelos tomando en consideración distintas condiciones de carga y drenaje. Permitió obtener el valor de c y ɸ. El ensayo de análisis granulométrico, permite conocer el tamaño de las partículas del suelo para poder clasificarlo. El ensayo de límites de consistencia, sirve para determinar los límites de consistencia (LL y LP), expresados en porcentajes.

La diferencia de estos 2 valores se conoce como índice de plasticidad (IP). En la memoria de cálculo, fue posible calcular la capacidad portante del suelo por los métodos semiempíricos^6-9, para elegir el método propicio para la cimentación de la vivienda en estudio.

Una vez obtenido los valores iniciales de cohesión, ángulo de fricción interna, profundidad, inclinación y otros se pueden aplicar las fórmulas de Terzaghi, Meyerhof, Hansen et al. y Vésic para cada en específico.

Resultados

Como el terreno donde se construirá la vivienda unifamiliar es un terreno relativamente pequeño, se realizó sólo 1 calicata. Se pudo apreciar que el suelo está conformado por un material en su mayoría arenoso, clasificándose de acuerdo al sistema unificado de clasificación de suelo (SUCS) como arena limosa. Presenta consistencia firme y buenas condiciones de valor de soporte. No se encontró nivel freático concordando con Rosales Paredes⁸ quien obtuvo resultados similares al obtener una cohesión de 0.05 kg cm^-2 y ángulo de fricción interna de 35° para un suelo de tipo SM, afirmando que es necesario conocer estos 2 parámetros de resistencia para evaluar la capacidad portante del suelo por cualquiera de los métodos semiempíricos.

Tabla 2 Resultados del método de Terzaghi⁶  

Tabla 3 Resultados del método de Meyerhof⁷  

A partir de los resultados obtenidos, los cuales fueron un valor de la cohesión de 0.082 kg cm^-2 y un ángulo de fricción interna de 28.01°, que se obtuvieron realizando ensayos triaxiales para 3 muestras del suelo afín de generar la envolvente de falla, fue posible utilizar correctamente los métodos semiempíricos^6-9, puesto que los 4 métodos requieren necesariamente de los parámetros de cohesión y ángulo de fricción interna para utilizar correctamente sus respectivas formulaciones para el cálculo de capacidad portante del suelo.

De acuerdo a las características existentes en el terreno y a las solicitaciones de la estructura a construirse, se optó por considerar una cimentación superficial de tipo zapata aislada para lo cual se empleó diversas metodologías^6-9.

Tabla 4 Resultados del método de Hansen et al.⁸  

Tabla 5 Resultados del método de Vésic⁹  

Discusión

La capacidad de carga admisible 2.44 kg cm^-2 Terzaghi⁶ 2.85 kg cm^-2 por Meyerhof⁷ 2.33 kg cm^-2 por Hansen et al.⁸ 2.39 kg cm^-2 por Vesic⁹ se puede señalar que el método que obtuvo menor capacidad de carga admisible fue Hansen et al.⁸ (2.33 kg cm^-2) mientras con el método que se obtuvo mayor capacidad de carga admisible fue Meyerhof⁷ (2.85 kg cm^-2), se pudo elegir el método para la cimentación de la vivienda unifamiliar, Hansen et al.⁸ puesto que se optó por la menor capacidad portante obtenida para tener un diseño más conservador y brindar mayor seguridad a la cimentación. Concordando con García Loayza et al.¹³, quienes obtuvieron resultados similares al obtener mediante el método Hansen una capacidad de carga admisible de 1.04 kg cm^-2, siendo el método que dio el valor más conservador y concordando¹⁴. que indica que el ángulo de fricción (ø = 32.72°) y la cohesión (c = 0.03 kg cm^-2) son los más relevantes que determinan la capacidad de carga del suelo. Asimismo, en la excavación manual se visualizó y palpó que en su mayoría los suelos están compuestos por arenas y finos (limos y arcillas).

A partir de los resultados, se eligieron parámetros comparativos para realizar el análisis, los factores de capacidad de carga (Nc, Nq, Ny), factores de forma (Sc, Sq y Sy) y factores de profundidad (dc, dq, dy). Fueron elegidos por ser considerados por los 4 métodos^6-9 para determinar la capacidad portante. No se tomaron en cuenta los factores de inclinación de carga, de terreno o de base, puesto que estas inclinaciones no existen para el caso estudiado, además que algunos métodos no los consideran en sus formulaciones^6,7. Esto concuerda con lo obtenido¹⁵. en resultados similares al obtener que los factores de diseño, se pueden comparar los 4 métodos semiempíricos^6-9 factores de capacidad de carga, de forma y de profundidad, pero resaltando que, si se desea comparar solo los métodos^8,9, entonces se pueden añadir también al análisis los factores de inclinación de carga, de terreno y de base.

Las características del suelo reflejan que tiene un contenido de humedad de 4.49 %, limite liquido de 36.68 %, limite plástico de 24.65 %, índice de plasticidad de 12.03 %, la clasificación de suelos muestra que el suelo es una arena mal graduada-limosa, la cohesión es de 0.082 kg cm^-2, el ángulo de fricción interna es de 28.01° y el peso específico natural es de 1.873 g cm^-3.

Los parámetros geotécnicos de presión admisible y factor de seguridad de falla por corte, obteniéndose valores de presión admisible de 2.44, 2.85, 2.33 y 2.39 kg cm^-2 para los métodos^6-9 respectivamente, mientras que el factor de seguridad elegido fue un valor conservador (FS = 3).

La comparación de los resultados, obteniéndose de los 4 métodos estudiados^6-9, el método con el cual se obtuvo menor capacidad de carga admisible fue de Hansen et al.⁸ (2.33 kg cm^-2) mientras que el método con el que se obtuvo mayor de capacidad de carga admisible fue de Meyerhof⁷ (2.85 kg cm^-2), para efectos del uso en la construcción de viviendas unifamiliares se recomienda utilizar el métodos menos favorable que serían el de Hansen con la finalidad de que el diseño pueda ser más estructurado y frente a cualquier evento sísmico pueda resistir tanto la vivienda y esta pueda proteger a las personas.