ESCUELA POLITÉCNICA

NACIONALFICA

MECÁNICA DE SUELOS I

ENSAYOEFECTO DE ARQUEO DE SUELOS

BRYAN DAVID VALLEJOS MALESSemestre Enero-Junio

Fecha de presentación: 24/04/2013

EFECTO DE ARQUEO DE SUELOS

INTRODUCCIÓN.-

En mecánica de suelos el término arqueo se utiliza para describir el fenómeno de transferencia de esfuerzos por la interacción de materiales con diferente rigidez, a través de la movilización de la resistencia al corte de los suelos. Este efecto es más reconocido en subterráneoestructuras, por ejemplo, conductos subterráneos. Aberturas subterráneas pueden serconstruidas utilizando la acción de arqueo para dar cuenta de la reducción de la presión de sobrecarga.

DESARROLLO.-

ArqueoArqueamiento puede ser mejor descrito como una transmisión de fuerzas entre una masa de rendimiento geomaterial y adyacentes miembros estacionarios. Una redistribución de las tensiones en el cuerpo del suelo se lleva a cabo. La resistencia al cizallamiento tiende a mantener la masa de rendimiento en su posición original resultando en ella un cambio de la presión en tanto la parte de apoyo del rendimiento y la contigua parte de suelo.

Cizallamiento Propiedad de un terreno que le permite resistir el desplazamiento entre las partículas del mismo al ser sometido a una fuerza externa. También llamada resistencia al corte.

Estudios de efecto de arqueoLos estudios clásicos del efecto de arqueo se han realizado bajo tres enfoques, que se presentan a continuación:

1. Terzaghi (1936 y 1943) plantea la formación de planos de falla en el suelo sobre una estructura como el resultado de asentamientos diferenciales, y se genera una reducción de la carga transmitida a dicha estructura en función de los esfuerzos cortantes actuantes en esos planos. Este enfoque se definió como el de falla plana o plano de corte, y se usa para analizar estructuras enterradas como tuberías, túneles y tablestacados, como se destaca en trabajos posteriores a los de Terzaghi, dentro de los que se puede mencionar los de Spangler(1948), Newmark (1964), Wang y Yeng (1974), y Handy (1985). Pruebas experimentales sobre modelos de muros de retención ensayados en máquina centrífuga realizados por Take y Valsangkar (2001) validan la metodología de Terzaghi y permiten visualizar claramente el efecto de arqueo del relleno, en función del ancho del mismo.

2. Un segundo enfoque define un efecto estructural de un arco o anillo en un caso plano, o de un domo o una esfera en un caso espacial, formando elementos con capacidad de transmisión de cargas entre el suelo y la estructura, como en el caso de los trabajos de Whitman y Luscher (1962) y Getzler et al. (1968 y 1970) aplicados a tuberías enterradas y túneles.

3. El tercer enfoque trata al suelo como un medio elástico, y haciendo un desarrollo en términos de elementos de frontera se determina la distribución de esfuerzos, como se menciona en los trabajos de Carrillo (1944), Finn (1963), Chelapati (1964) y Abbott (1967), los cuales desarrollaron soluciones cerradas, posteriormente implementadas en computador, para determinar el arqueo sobre estructuras enterradas.

Posteriormente, basados en los medios continuos y el desarrollo del elemento finito, se comienza a observar en la modelación el efecto de interacción de los materiales de un

terraplén, como entre los respaldos de rellenos de roca, los núcleos de arcilla, y las cimentaciones rocosas. La redistribución de esfuerzos en la masa de suelo por el efecto de esta interacción, afecta el comportamiento general del terraplén, porque define el mecanismo de deformación así como las zonas de concentración y relajación de esfuerzos, como se mencionará a continuación.

El efecto de arqueo puede visualizarse reflexionando como sigue: supóngase una masa de suelo de gran extensión que descanse apoyada en una superficie horizontal rígida; supóngase que, que por alguna razón, una parte de esa superficie cede un poco hacia abajo, de modo que el suelo que haya quedado sobre esa parte tienda también a descender. Al movimiento de esa masa de suelo relativo al resto de suelo que ha quedado inmóvil, por estar firmemente apoyado, se opondrá la resistencia al esfuerzo cortante que puede desarrollarse entre la masa móvil y el resto del suelo estacionario. Esta resistencia tiende a mantener a la masa móvil en su posición original y, por lo tanto, reduce la presión del suelo sobre la parte cedida de la superficie de soporte. Como efecto consecuente, aumentará, por el contrario, la presión que las estacionarias ejercen sobre las partes fijas de la superficie de soporte.

Tiene lugar, por lo tanto, una transferencia de presión, de la parte de la superficie cedida a los apoyos estacionarios y de ahí recibe el nombre de efecto de arqueo.La consecuencia práctica del efecto anterior en los elementos de soporte en que haya puntos de deformación restringidos y zonas de cedencia más fácil, es una disminución de presión en estas zonas y concentración en aquellos puntos, de modo que, a fin de cuentas, resultan modificados tanto el diagrama de distribución de presiones, como la magnitud de empuje total.

Tipos de arqueoDependiendo de la rigidez relativa en la masa de tierra y arqueado puede ser activa o pasiva.

a) Arqueado activo se produce cuando la estructura es más compresible que el suelo circundante.).

Desplazamientos a presión Ps cuando la estructura es más compresible que el suelo que le rodea

b) Arqueado pasivo; cuando el sistema está sometido a cargas ,la tensión resultante de distribución a través de localizaciones de una misma elevación inicial (plano AA y Plano BB) es similar a la mostrada en la figura , donde las tensiones sobre la estructura son menos que los de la tierra adyacente.

Distribución de tensiones en plano AA o BB

Teoría de arqueamiento (Terzaghi, 1943)El efecto de arque del suelo se originó a partir de la deformación plástica no uniforme del suelo detrás de los pilares 1,2 y el estrés del suelo se redistribuye y se transmite. Basados en una prueba de trampa de puerta, el fenómeno de arqueo del suelo fue propuesto por primera vez por Terzaghi. Después de eso, la prueba de trampa de puerta ha sido discutida ampliamente utilizando métodos analíticos y numéricos. Mucho trabajo se ha hecho para interpretar el mecanismo de interacción entre los pilotes y el suelo. Además, los pilares de estabilización fueron diseñados en un plástico rígido.

Método de TerzaghiTerzaghi supone que la tensión normal es uniforme a través de las secciones horizontales y el coeficiente de tensión lateral (K) es una constante. Cohesión (c) se supone que existir a lo largo de las superficies de deslizamiento.

El método se ejemplificará mediante el siguiente figura:

El equilibrio vertical para el cuerpo libre en la figura es:

(Ec. 3.2)

Donde,2B = anchura de la tira rendimiento (ab),z = profundidad,

y = Peso unitario del suelo,ov = esfuerzo vertical,Oh = horizontal estrés = Kov,K = el coeficiente de esfuerzo lateral,c = cohesión,ϕ= Ángulo de fricción.

Las condiciones de contorno son Ov = q (de pago) en z = 0.

Resolviendo la ecuación, conduce a:

(Ec. 3.2)En el cual:q = recargo en la superficie del suelo

Las investigaciones experimentales sobre el estado de estrés en la arena se encuentrapor encima de una tira de rendimiento han demostrado que el efecto arqueado sólo se extiende a una altura de 5B. En otras palabras, en las elevaciones de más de 5B por encima de la línea de centro de la reducción de la tira no tiene ningún efecto en absoluto sobre el estado de estrés en la arena.

Terzaghi supone por lo tanto que la resistencia al cizallamiento de la arena era activa sóloen la parte inferior de los límites verticales y ae bf en la Figura. Con este supuesto,la parte superior del prisma del suelo (se trata como un suplemento q en la parte inferior.

Si z = N1b es la parte del prisma, que actúa como servicio de pago, y z2 = n2B es la parte del prisma con resistencia al corte en los bordes verticales, entonces la ecuación. 3.2 se convierte en:

Cuando sustituimos:

En la ecuación. 3,2. Cuando n2 es muy grande, la vertical de estrés es:

Esto significa por debajo de cierta profundidad, el esfuerzo vertical en la tira de rendimiento será una constante.

Limitaciones de la teoría arqueo de Terzaghi:

- La vertical tensión en la superficie elástica horizontal se supone que ser uniforme. - La trampa puerta o tira de rendimiento se supone rígida - Las superficies de deslizamiento asumidas no son verdaderas.

CONCLUSIONES.-

• El arqueo o efecto de arqueo se produce cuando hay una diferencia de la rigidez entre la estructura instalada y el suelo circundante. Si la estructura es más rígida que el suelo entonces la carga se arquea sobre la estructura.

• El efecto de arqueo es más notorio en arenas que en arcillas y se ve influenciado por las vibraciones, que tienden a disminuirlo sobre todo en el caso de las arenas.

• En general, la forma de arco del suelo se debe suponer primero a ser parabólica, circular o de cuña. Además, debido al límite de métodos numéricos, la distribución obtenida de arco suelo es completamente diferente; las formas de arco de suelo se consideran como forma de triángulo equilátero, hiperbólica, parabólica, semiesférica, elíptica y curvada.

• El efecto de arqueo depende de la naturaleza de su superficie, sus características o propiedades determinadas, su forma estructural y condiciones específicas del lugar.

• El cálculo e identificación del arqueo así como de detalles cualitativos y cuantitativos dependen de teorías específicas que se cumplen bajo algunas suposiciones y que bajo algunos aspectos no son posibles determinar, además estas teorías no son generales y aún se encuentran bajo cuestionamientos de su debida aplicación.

BIBLIOGRAFÍA.-

- EULALIO JUÁREZ BADILLO/MECÁNICA DE SUELOS/ Teoría y Aplicación de la Mecánica de Suelos/ Editorial Limusa, México/ 2004

- ALFONSO RICO RODRÍGUEZ,HERMILLO DEL CASTILLO /La Ingeniería de los suelos en las vías terrestres: carreteras./Volumen2, 2007.

- CARLOS CRESPO VILLALAZ/ Mecánica de suelos y cimentaciones/ Español (spa) : 6a ed /México : Limusa : Noriega, 2007