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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O

Aspectos Geotécnicos y Estructurales de OBRAS DE RIEGO

EXPOSICIÓN Y SESIÓN PARTICIPATIVA CONSULTORES Y REVISORES CNR

Noviembre, 2016

www.cnr.gob.cl


OBJETIVO Y ESTRUCTURA DEL TALLER

Objetivo: Realizar una actividad de acercamiento entre revisores y

consultores, que permita orientar tanto la presentación como la revisión de

proyectos bajo algunos criterios de diseño relacionados con obras de riego

que han sido seleccionados específicamente para las obras de la ley

18.450.

Estructura:

1a Parte: Sesión expositiva a cargo de un relator externo.

2a Parte: Sesión participativa orientada a la recopilación y revisión de

situaciones particulares de acuerdo a la experiencia de los consultores y

revisores.

Para facilitar el desarrollo de la actividad, se agradece a los participantes

tomar nota de las consultas a realizar, las que serán atendidas solamente en

la 2da parte del taller.

2


CONTENIDO

TALLER 30.11 ASPECTOS GEOTÉCNICOS Y ESTRUCTURALES

Parte 1 - Embalses de menos de 50.000 m3

a. Algunas recomendaciones con respecto a inclinación de taludes

b. Propiedades del suelo – ensayos típicos

c. Factores de seguridad para estabilidad de taludes

Pausa - Café

Parte 2 - Canales y Revestimientosa. Revestimientos (infiltración – resistencia)

b. Espesores de bases estabilizadas

Parte 3 – Consideraciones Estructuralesa. Espesores de Muros

b. Punto 10.5.3 del ACI 318, armadura

c. Diseño de canoasAlmuerzo

3


DOCUMENTOS TÉCNICOS DE REFERENCIA

Específicos:

• Resolución Ex Nr. 1250 Instructivos de Obras Civiles C.N.R., Marzo 2016

• Manual de Obras Menores de Riego C.N.R, 1996

• Especificaciones Técnicas Proyectos de Canales, Dirección de Riego, 1969

• Reglamento Artículo 295 DGA, Enero 2015

• ACI 318, 1995

Complementarios:

• Nilson, A., Winter, G., “Diseño de estructuras de Concreto” 11ª Edición

1993

• Terzaghi, C., Peck, R., “Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica” 3ª

Edición 1996

• NCh 1508:2014 “Geotecnia – Estudio de Mecánica de Suelos”. Instituto

Nacional de Normalización.

4


PARTE 1 – EMBALSES DE MENOS DE 50.000m3


1.A. Algunas recomendaciones con

respecto a inclinación de taludes

C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O Ref: ETE Proyecto Canales, Dirección de Riego 1960

ALGUNAS RECOMENDACIONES C/R TALUDES


ALGUNAS RECOMENDACIONES C/R TALUDES

Ref: Manual de obras menores de Riego 1996

Si el relleno (muro) es homogéneo y de origen arcilloso-arenoso entonces los taludes pueden ser 2:1 (H:V) aguas arriba y 1,5:1 aguas abajo

Válido para embalses hasta 5m de altura.Para embalses de mayor altura se debe desarrollar estudio de estabilidad


Nota: Párrafo anterior hace referencia a la clasificación

USCS del suelo.

Ref: Res. Ex. Nr 1250 Instructivos de obras Civiles CNR, Marzo 2016

ALGUNAS RECOMENDACIONES C/R EMBALSES

C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G ORef: Res. Ex. Nr 1250 Instructivos de obras Civiles CNR, Marzo 2016


C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O Ref: Reglamento Art. 294 DGA, MOP, Dic. 2015

ESTUDIOS PARA EMBALSES HASTA 50K m3


¿CÓMO SE DEBE INTERPRETAR LO ANTERIOR?

Embalses entre 1,5m y 5m de altura máxima

A. Estudio del suelo de fundación (campaña de exploración de suelos)

B. Estudio de estabilidad taludes (estático y sísmico)

C. Estudio de filtraciones (a través y bajo el muro)


Clasificación de Suelos Gruesos


Tamaño de Partículas• Tamices estandarizados

Tamiz Apertura malla

[mm]

Observación

3 in. 76.2 Separa gravas de bolones

1 in. 25.4

#4 4.75 Separa gravas de arenas

#8 2.36

#10 2.00

#20 0.85

#30 0.60

#40 0.425

#50 0.30

#60 0.25

#100 0.15

#200 0.075 Separa gruesos de finos


Tamaño de Partículas

Standard

Tamaño de Partícula [mm]

Clay: arcilla

Silt: limo

Sand: arena

Gravel: grava

Cobbles: bolonesBoulders: clastos

Budhu (2011)

BS: British Standard

USCS: Unified Soil Classification System

AASHTO: American Association of State Highway

and Transportation Officials

ASTM: American Society for Testing and Materials

#200 #40 #4 3 in.#10

Suelos Finos Suelos Gruesos


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Pi

Tamaño de Partícula [mm]

Tamaño de PartículasCurva de distribución de tamaño de partícula o distribución granulométrica:

Bien graduado

Mal graduado


Budhu (2011)

Clasificación Suelos Gruesos


Clasificación de Suelos Finos


Estados Suelos Finos

Terzaghi et al. (1996)

Vo

lum

en

Humedad

Límite de

Contracción

Límite

Plástico

Límite

Líquido

Sólido

Semi-

Sólido Plástico

Semi-

Líquido

Índice de

Plasticidad


Límite Líquido

1cm altura de caída

• Cuchara de Casagrande


35

40

45

50

55

60

10 100

Hu

med

ad

[%

]

Número de Golpes

25

LL = 45.4 %

Límite Líquido

Línea de Estado Líquido


Límite Líquido

Plasticidad baja LL = < 35%

Plasticidad intermedia LL = 35 - 50%

Plasticidad alta LL = 50 - 70%

Plasticidad muy alta LL = 70 - 90%

Plasticidad extremadamente

altaLL = > 90%

Ref: British Soil Classification

System

Qué implicancias tienen LL altos, o bien, LL bajos?


Límite Plástico

• Límite plástico: Humedad a la cual un bastón de

suelo de 3.2 mm de diámetro (1/8 pulgada) comienza

a desmoronarse.


0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Índ

ice d

e P

lasti

cid

ad

IP

[%

]

Límite Líquido LL [%]

Carta de Plasticidad

IP > LL CH

CLMH

MLCL-ML


Budhu (2011)

Clasificación Suelos Finos

Nota: Lean clay = arcilla magra = arcilla baja plasticidad


Compactación de Suelos


Ensayo de Compactación Proctor


Ensayo ProctorObjetivo:

Determinar la máxima densidad seca de un suelo utilizando una

energía de compactación estándar.

Molde

Diámetro = 10.2 cm

Altura = 11.6 cm

Martillo

Peso = 2.5 kg

Caída = 30.5 cm

Molde

Diámetro = 15.2 cm

Altura = 11.6 cm

Martillo

Peso = 4.5 kg

Caída = 45.7 cm


Proctor Standard

• Suelo preparado a distintas humedades

• Compactado en un molde en 3 capas

• 25 golpes por capa (molde pequeño)

• 56 golpes por capa (molde grande)

• Martillo de 5.5 lbf (2.5 kg) altura de caída 30.5 cm

• Energía volumétrica de compactación 600 kN m/m3 (kJ/m3)

• Preparar al menos 4 sub-muestras: 2 sobre y 2 bajo el óptimo

• Curva de compactación


Proctor Modificado

• Suelo preparado a distintas humedades

• Compactado en un molde en 5 capas

• 25 golpes por capa (molde pequeño)

• 56 golpes por capa (molde grande)

• Martillo de 10 lbf (4.5 kg) altura de caída 45.7 cm

• Energía volumétrica de compactación 2700 kN m/m3 (kJ/m3)

• Preparar al menos 4 sub-muestras: 2 sobre y 2 bajo el óptimo

• Curva de compactación


14

15

16

17

18

19

10 15 20 25

Pes

o E

sp

ecif

ico

Se

co

[k

N/m

3]

Humedad [%]

Holtz y Kovacs (1981), Lambe & Whitman (1969)

Energía en Laboratorio

Roca fragmentada

Unitario


Holtz y Kovacs (1981)

Compactación por Tipo Suelo

14

16

18

20

22

5 10 15 20 25

Pe

so

Es

pe

cif

ico

Se

co

[k

N/m

3]

Humedad [%]

1

2

3

45

7

86

Curva Suelo

1 SW-SM (CF= 12%)

2 SM (W) (CF= 28%)

3 SM (P) (CF= 27%)

4 CL (Arenosa)

5 CL

6 ML

7 CH

8 SP (CF= 6%)

Unitario


Densidad Relativa

• Densidad Máxima (mínimo índice de vacíos) (ASTM 4253):

• Sobrecarga: 14 kPa

• Vibración vertical: 0.33 +/- 0.05 mm @ 60 Hz por 8 min

• Peso unitario seco = peso suelo seco / volumen final

Resistencia y Comportamiento de Suelos


τ

σ

τn

φ

σ3 σ1

c

σn

2

σσ 31

2

σσ 31

φ

Criterio de Falla de Mohr-Coulomb


Corte Directo

Esfuerzo Vertical Dial Celda de Carga

Suelo


Ensayo de Compresión Simple(también denominado Compresión no Confinada)

Celda de carga

Probeta de

suelo

Prensa

Medición de

deformació

n vertical


Valores referenciales del ángulo de fricción

interna (f)

Rangos del ángulo de fricción interna para suelos (°)

Tipo de suelo fcs (°) fp (°)

Gravas

30–35 35–50Mezclas de grava y arena con finos

28–33 30–40Arenas

27–37 32–50Limos o Arenas limosas

24–32 27–35Arcillas

15–30 20–30

Budhu 2011


Valores referenciales de la resistencia al

corte no drenada (Su) para suelos finos

Descripción su (kPa)

Muy blando < 10

Blando 10-25

Medio firme 25 – 50

Firme 50 – 100

Muy firme 100 – 200

Extremadamentefirme

> 200

Budhu 2011



A. Campaña de exploración de

suelos


Anexo A: Exploración del subsuelo

En vías urbanas: pozos cada 150m

Caminos, carreteras: pozos cada 250m

Prospecciones profundas (mayor a 8m) cantidad

definida por “profesional competente”

NCh 1508 “ESTUDIOS DE MECANICA DE SUELOS”


Profundidad mínima a alcanzar (donde se produce la interacción

suelo-estructura)

Fundaciones superficiales

Zp ≥ Df + z

z = 1,5B (B ancho menor de la fundación)

zmin = 2 m

Zpmin = 2,5 m

Anexo A: Exploración del subsuelo


Df


Esfuerzos en una Masa de Suelos

Esfuerzos y desplazamiento vertical bajo área circular flexible con carga vertical uniforme

Esfuerzo

Vertical

Esfuerzo

Horizontal

(FHWA 2002)


Anexo B: Ensayos y Mediciones en

Terreno


Realizados en calicatas, sondajes o en superficie.

Se deben realizar ensayos necesarios que el profesional

considere adecuados para caracterizar las propiedades

del subsuelo

Densidad natural, contenido de humedad, granulametría, nivel

de napa, infiltración, pruebas de bombeo, placa de carga,

molinete, presiómetro, etc.


B. Análisis de estabilidad taludes

Según el Reglamento Art. 294 DGA:



Algunos ensayos in-situ


Control de Calidad

Cono de Arena

• Mide densidad en terreno

Contenedor

LlaveCono


Penetrómetro Dinámico (liviano)


Penetrómetro Dinámico

DIN 4094

Tipo de

penetrómetro

Masa del

martillo

(kg)

Altura

de

caída

(m)

Área de

la punta

(cm2)

Ejemplo de medición

a. Desde nivel de superficie

b. Desde excavación a 2m de profundidad


Penetrómetro Dinámico

DIN 4094

De

nsid

ad

re

lativa

De

nsid

ad

re

lativa

Número de golpesNúmero de golpes

Arenas uniformes, sobre nivel freático Gravas y arenas bien graduadas,

sobre nivel freático


Ensayo de Placa de Carga


Permite estimar:

• Capacidad de soporte del suelo

• Constante de balasto (ks) - (DIN 18134)

• Módulo de deformación (Ev) – (DIN 18134)

Limitaciones:

• Profundidades de influencia no superiores a dos veces el diámetro

de la placa

• Corta duración no permite determinar asentamientos totales (en

suelos finos)

Ensayo de Placa de Carga


C. Análisis de filtraciones a través y por debajo de

la presa


Budhu (2011)


Causas de falla de taludes

Budhu (2011)


Suelos Residuales

Wesley (2010)


Los Factores de Seguridad (FS) son difíciles de especificar dado que

dependen de:

• Condiciones geológicas

• Condiciones de los estados de carga

• Densidad poblacional

• Estructuras existentes

• Confianza en la determinación de los parámetros del suelo

• Nivel freático y restricciones medioambientales

• Amenazas naturales

• Actividad humana

• Error humano

Los valores típicos de FS van entre 1.1 y 1.5

• En minería: FS 1.1 a 1.2

• Cortes en carreteras: FS 1.3;

• Presas de tierra: FS 1.5 (Cargas permanentes)

• Presas de tierra: FS 1.1 (Cargas eventuales tipo sísmicas)

Cada país establece sus propios criterios para los distintos tipos de infraestructura. Por lo

tanto, es importante familiarizarse con las reglamentaciones del lugar específico de la obra.

FACTORES DE SEGURIDAD


Duncan et al.

(2005)

Método de Taylor (φ=0)

Pd = γ∙H


EJEMPLO DE CASO DE INESTABILIDAD



Propuesta de reparación


Evaluación de parámetros resistentes (Back Analysis)



Verificación de estabilidad con solución proyectada



Métodos de Estabilización

Navfac (1986)


Navfac (1986)

Métodos de Estabilización


PARTE 2 – CANALES Y REVESTIMIENTOS


GEOCELDAS

Ref: Geosintéticos ChileRef: Emaresa.cl

Dependiendo de su disposición puede tener usos/aplicaciones distintas


GEOCELDAS – para el control de erosión superficial

Instalada directamente sobre la superficie de suelos a

proteger. Una sola capa. Celdas (comúnmente)

rellenas de suelo.

Ref: geofixsl.com Ref: eminsg.cl


GEOCELDAS – como estructuras de contención

Ref: http://innovatechsolutions.com/Ref: geofixsl.com

• Instalada como capas horizontales sucesivas (equivale a un

sistema de suelo mecánicamente reforzado)

• Requiere de excavación y luego relleno


REVESTIMIENTO DE CANALES – SECCIONES TRAPEZOIDALES

• No confundir revestimientos para control de erosión superficial con

sistemas de contención de taludes

• Lo anterior es válido incluso para materiales de un mismo tipo (Hormigón,

Geosintéticos) que pueden cumplir uno u otro objetivo

Control de erosión v/s contención de suelos


PARTE 3 – CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES


3.A. Espesores de Muros


ALGUNAS RECOMENDACIONES C/R ESPESORES DE MUROS DE CANALES



MUROS DE CANALES CON MALLA SIMPLE


MUROS DE CANALES CON MALLA SIMPLE

• Hay que diferenciar entre obras que se proyectan a largo plazo de las

obras con vidas útil acotada

• Corresponden a obras intra-prediales o inter-prediales?

• Hay probabilidades que a futuro las obras que estoy proyectando se vean

sujetas a mejoras o ampliaciones?

• Cuáles son las solicitaciones mas probables v/s las solicitaciones más

desfavorables?

• Debo siempre considerar el empuje sísmico en el diseño de los muros?


3.B. Sección 10.5.3 del ACI 318: 1995


REQUERIMIENTOS c/r AL ÁREA DE BARRA DE REFUERZO (As)


3.C. Canoas


ALGUNAS RECOMENDACIONES C/R A CANOAS


Artículo 43 letra h del Reglamento 294 DGA



• Socavamiento de Estribos

• Asentamientos diferenciales



Gracias

www. cnr.gob.cl

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