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MECANICA DE SUELOS MECANICA DE SUELOS
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MECANICA DE SUELOS MECANICA DE SUELOS
MECANICA DE SUELOS La Mecánica de Suelos estudia el comportamiento del suelo para ser usado como material de construcción o como base de sustentación de las obras de ingeniería. Esta ciencia fue fundada por Karl von
Terzaghi en 1925 Es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas, independientemente de que tenga o no materia orgánica.
La importancia de los estudios de la mecánica de suelos radica en el hecho de que si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, produciendo a su vez deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomes que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono. En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel
y la estructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, a través de una correcta investigación de mecánica de suelos La Mecánica de Suelos se interesa por la estabilidad del suelo, por su deformación y por el flujo de agua, hacia su interior, hacia el exterior y a través de su masa, tomando en cuenta que resulte económicamente factible usarlo como material de construcción.
A un ingeniero le interesa identificar y determinar la conveniencia o no de usar el suelo como material para construir rellenos en caminos, canales de conducción y distribución de los sistemas de riego, obras hidráulicas, entre otros. Para esto es necesario obtener muestras representativas del suelo que se someten a pruebas de laboratorio, tomando en cuenta que el muestreo y los ensayos se realizan necesariamente sobre pequeñas muestras de población, es necesario emplear algún método estadístico para estimar la viabilidad técnica de los resultados. El ingeniero pronosticará las características de carga-deformación de rellenos naturales o compactados, que soportan cualquier construcción o como estructura de suelo.
Diseños para estructuras construidas por encima de la superficie incluyen cimentaciones superficiales (zapatas), cimentaciones semiprofundas (pozos), y cimentaciones profundas (pilotes). Para la construcción de las cimentaciones de un edificio, se debe determinar e identificar previamente el tipo de suelo. Los procedimientos de cálculo de las cimentaciones, ya sean éstas superficiales o profundas, éstán directamente relacionadas con la clasificación del terreno, ya sea éste un suelo granular y cohesivo o rocoso.
Los suelos son agregaciones de minerales o partículas de rocas separables por medios mecánicos de poca intensidad, como son la agitación en agua y la presión de los dedos de la mano. Partículas, aire y agua. La proporción de los componentes determina una serie de propiedades que se conocen como propiedades físicas o mecánicas del suelo: textura, estructura, consistencia, densidad, aireación, temperatura y color. 1.- La textura depende de la proporción de partículas o
minerales de diversos tamaños presentes en el suelo, se clasifican por tamaño en cuatro grupos:
. Fragmentos rocosos: diámetro superior a 2 mm, y son piedras, grava y cascajo.
· Arena: diámetro entre 0,05 a 2 mm. Puede ser gruesa, fina y muy fina. Los granos de arena son ásperos al tacto y no forman agregados estables, porque conservan su individualidad.
· Limo: diámetro entre 0,002 y 0,05 mm. Al tacto es como la harina o el talco, y tiene alta capacidad de retención de agua.
· Arcilla: diámetro inferior a 0,002 mm. Al ser humedecida es plástica y pegajosa; cuando seca forma terrones duros.
El procedimiento analítico mediante el que se separan las partículas de una muestra de suelo se le llama análisis mecánico o granulométrico y consiste en determinar la distribución de los tamaños de las partículas. Este análisis proporciona datos de la clasificación, morfología y génesis del suelo, así como, de las propiedades físicas del suelo como la permeabilidad, retención del agua, plasticidad, aireación, capacidad de cambio de bases, etc. Todos los suelos constan de una mezcla de partículas o agrupaciones de partículas de tamaños similares por lo que se usa su clasificación con base en los límites de diámetro en milímetros.
2. La estructura es la unión de las partículas del suelo para formar agregados. De acuerdo a esta característica se distinguen suelos de estructura esferoidal (agregados redondeados), laminar (agregados en láminas), prismática (en forma de prisma), blocosa (en bloques), y granular (en granos).
3. La consistencia es la característica física que gobierna
las fuerzas de cohesión-adhesión, responsables de la resistencia del suelo a ser moldeado o roto. Son fuerzas
que permiten que las partículas se mantengan unidas. Dichas fuerzas dependen del contenido de humedades por lo que esta se expresa en términos de seco, húmedo y mojado.
Según la resistencia el suelo puede ser suelto, suave, duro, muy duro, etc.
4. La densidad es el peso por volumen del suelo, y está
en relación a la porosidad. Un suelo muy poroso será menos denso; un suelo poco poroso será más denso. A mayor contenido de materia orgánica, más poroso y menos denso será el suelo.
5. La aireación es el contenido de aire del suelo y es importante para el abastecimiento de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono en el suelo. La aireación es crítica en los suelos anegados. Se mejora con la labranza, la rotación de cultivos, el drenaje, y la incorporación de materia orgánica.
6. La temperatura del suelo es importante porque determina la distribución de las plantas e influye en los procesos bióticos y químicos. Cada planta tiene sus requerimientos especiales. Encima de los 5º C es posible la germinación.
7. El color del suelo depende de sus componentes y
puede usarse como una medida indirecta de ciertas propiedades. El color varía con el contenido de humedad. El color rojo indica contenido de óxidos de fierro y manganeso; el amarillo óxidos de fierro hidratado; el blanco y el gris indican presencia de cuarzo, yeso y caolín; y el negro y marrón indican materia orgánica.
La medida del color del suelo se realiza con un sistema estandarizado basado en la "Tabla de Colores Munsell". En esta tabla se miden los tres componentes del color: •Tono (hue) (En suelos es generalmente rojizo o amarillento) • Intensidad o brillantez (chroma) • Valor de luminosidad (value)
Propiedades Relevantes de los Suelos Granulares Para los estudios geotécnicos, las propiedades más importantes a tener en cuenta son las definidas por: Estado natural del suelo (Humedad, Densidad) Resistencia mecánica Deformabilidad Por otra parte, para la toma de muestras deben considerarse otros factores, a saber: Porosidad Índice de huecos Peso específico relativo
Humedad Cuando el agregado esta expuesto a la lluvia, se acumula una cantidad considerable de humedad en la superficie de las partículas, a excepción de la parte superior de la pila, esa humedad se conserva durante mucho tiempo. Esto ocurre especialmente cuando se trata de agregado fino y la humedad superficial o libre (la que sobra de la que ha mantenido el agregado en su condición de saturado y superficialmente seco), se debe tomar en cuenta en él calculo de cantidades para la muestra. La humedad superficial se expresa como un porcentaje del peso del agregado saturado y superficialmente seco y se le conoce como el contenido de humedad.
Como el contenido de humedad del agregado cambia con el clima y varia también de una pila a otra, es necesario determinar con frecuencia el valor del contenido de humedad; el que se determina por varios metodos. En el laboratorio se determina la humedad del suelo por medio del secado al horno, este estado puede determinarse al tacto o formando montones de arena mediante un molde cónico; al quitar el molde el material se debe desplazar libremente. Es una relacion expresada en porcentaje entre el peso del agua existente en una determinada masa de suelo y el peso de las partículas sólidas.
w = ( Ww / Ws ) * 1 0 donde:
w = contenido de humedad expresado en %
Ww = peso del agua existente en la masa de suelo
Ws = peso de las partículas sólidas
La importancia del contenido de agua que presenta un suelo representa junto con la cantidad de aire, una de las características más importantes para explicar el comportamiento de este (especialmente en aquellos de Textura más fina), como por ejemplo cambios de volumen, cohesión, estabilidad mecánica.
Densidad “IN SITU” La densidad de los suelos está relacionada con otras características de los suelos. Por ejemplo, los suelos arenosos de baja porosidad tienen una mayor densidad (1,2 a 1,8 g/cm3) que los suelos arcillosos (1,0 a 1,6 g/cm3) los cuales tienen un mayor volumen de espacio de poros. La compactación puede aumentar la densidad del suelo de los horizontes superficiales a valores que pueden llegar a 2 g/m3.
Se consideran dos tipos de densidad: densidad real y densidad aparente Densidad real (dr): Es la densidad de las partículas
sólidas del suelo, se determina dividiendo el peso del
suelo secado con la estufa por el volumen que ocupan
los sólidos.
La densidad real de los suelos minerales más comunes
varía de 2.500 a 2.700 kg/m³.
Densidad aparente (da): Es la masa contenida en una
unidad de volumen de una muestra de suelo tal y como
es, incluyendo el volumen ocupado por los poros. Para
determinarla, se divide el peso de un determinado
volumen de tierra secada a estufa por ese volumen de
suelo
La densidad aparente de los suelos varía según la textura
y estructura entre los 1.100 y los 1.900 kg/m³.
METODO DE LA ARENA
Deformabilidad La deformación de un suelo es de fundamental importancia para la elección y tipo de cimentaciones. Las relaciones entre tensiones y deformaciones del terreno permiten evaluar los asientos (movimientos verticales) y los movimientos horizontales que una estructura puede sufrir. Cuando se aplica un esfuerzo se produce una deformación que se obtiene a partir de la relación tensión/deformación, que por lo general es una relación compleja. El grado de deformación depende de la naturaleza del terreno, del tipo de estructura, del índice de huecos del suelo y de la forma que es aplicada la carga.
Es usual el empleo de fórmulas de la teoría de la elasticidad lineal, para condiciones adicionales de homogeneidad e isotropia. Evaluar los asientos es muy complejo debido a la
heterogeneidad del suelo, lo cual puede generar
distintos comportamientos en un mismo solar. Por lo
que los métodos de cálculo empleados dan valores
aproximados.
Se distinguen tres tipos diferentes de asientos:
Asiento Instantáneo. Si
Se produce instantáneamente aplicando la carga. Se
estima que el suelo se deforma como un medio con
comportamiento elástico.
Asiento de Consolidación Primaria. Sc Se produce por un cambio de volumen paulatino a medida que pasa el tiempo, según se vayan disipando las presiones transmitidas al agua intersticial mediante drenaje. Se aprecia en suelos cohesivos saturados. Asiento de Consolidación Secundaria o de
Fluencia. Ss
Este es un fenómeno complejo producido en
algunos tipos de suelos después del asiento por
consolidación. Aparece por efecto de la combinación
de varios fenómenos, tales como la fluencia viscosa
en contactos entre las partículas del suelo, por la
eliminación de la materia orgánica, por degradacion
de las partículas, etc.
En suelos naturales no saturados y en suelos granulares o arenas, se producen asientos rápidos y de naturaleza elástica. En suelos cohesivos saturados se presentan los tres tipos de asientos. En suelos de rellenos naturales y antrópicos, y en suelos con materia orgánica en gran proporción, los asientos llegan a ser muy importantes
Deformación de los Suelos
Asentamiento
Resistencia de suelos Antes de decidir una construcción es imprescindibles estudiar la resistencia del suelo la que depende de su compacidad y su densidad. Cuanto mas compacto y denso es un suelo mas resistente será. La resistencia de un suelo también depende de la cantidad de agua que contiene, el agua lubrica los granos y permite deslizarse unos sobre otros. Pero una cierta humedad permite el movimiento de las partículas del suelo y su compactación. Ensayo de compactacion de proctor determina la cantidad optima de agua de un suelo que permite la mejor compactación para una energía dada. Esta basado en el hecho de que la compacidad es proporcional a la densidad del terreno seco.
Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Normal", y el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos estriba en la distinta energía utilizada, debido al mayor peso del pisón y la mayor altura de caída en el Proctor modificado. La muestra de suelo se seca en la estufa y se compacta con una energía y humedades fijas y se mide su densidad seca, se realiza varios ensayos aumentando progresivamente la humedad y se dibuja una curva, en las absisas van las humedades y en las ordenadas la densidad secas. Esta curva representa un máximo para una cierta humedad que por definición se denomina optimo proctor.
La capacidad de carga depende del tipo de suelo
(gravas, arenas, limos, arcillas o combinaciones de
ellas), de las características de la cimentación y de
la estructura, y del coeficiente de seguridad
adoptado. El conocimiento de la presencia o
ausencia del nivel de las aguas freáticas (NAF) es
muy importante por que cambia las condiciones de
resistencia.
La teoría de terzagui es uno de los primeros
esfuerzos por adaptar a la mecánica de suelos los
resultados de la mecánica del medio continuo
El ensayo de corte directo permite encontrar los parametros de resistencia del suelo, se determinan la cohesión (C) y el ángulo de fricción interna (ø), datos que son esenciales para el calculo de la capacidad de carga.
ENSAYO DE CORTE DIRECTO Determina la resistencia al corte del suelo El ensayo consiste en colocar la muestra en la caja de corte directo (CD), se aplica un esfuerzo normal determinado, humedeciendo o drenando la muestra o ambos a la vez, se consolida la muestra bajo el esfuerzo normal soltando los marcos que contienen la muestra, desplazando un marco horizontalmente con respecto al otro a una velocidad constante de deformación, midiendo la fuerza de corte y los desplazamientos horizontales a medida que la muestra es llevada a la falla. Este ensayo se realiza mediante la deformación de la muestra en un rango de deformación controlada, por lo general se realizan tres pruebas cada una con una carga normal diferente
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Resistencia al esfuerzo cortante de un suelo
• Parámetros a determinar
– Cohesión: Resistencia al corte del terreno cuando la
presión normal efectiva es nula (C)
– Ángulo de rozamiento interno: Resistencia al corte
dividida por la presión normal efectiva (equivalente al
coeficiente de rozamiento de Coulomb) (f)
t
s
t = C + s tg f
C
f
En geotecnia este ángulo de rozamiento interno es fundamental para determinar la resistencia de una cimentación, para el cálculo del empuje de tierras y para la estabilidad de taludes. Cohesión
Son las fuerzas internas que mantienen unidas a las
partículas, que dependen, entre otras cosas del
número de puntos de contacto que cada partícula tiene
con sus vecinas. En consecuencia, la cohesión es
mayor cuanto más finas son las partículas.
Aplicación de la formula general de Terzaghi. Para una zapata de base cuadrada qd= 1.2 cNc + g Nq Z + 0.4 g BNg Donde: qd= Capacidad de carga ultima c = Cohesión g = Peso especifico o densidad volumétrica del suelo. (f)= Angulo de fricción interna
Z = profundidad de la cimentación (zapata) Nc, Nq, Ng = Coeficientes de carga en función del ángulo
de fricción. 1.2 y 0.4 = Factores por la forma de la zapata
CALCULO DE CARGA PORTANTE
FORMULAS
qc = 1.3 C Nc + ɣ D Nq + 0.4 ɣ B Nɣ
Nc = (Nq + 1 )CTANɸ Nq =(EXP(πTANɸ)TAN2(45+ɸ/2) Nɣ = 2 (Nq +1) TANɸ
DONDE: DATOS DE LABORATORIO COEFICIENTES
qc CAPACIDAD DE CARGA (Kg/cm2) COHESIÓN (C ) Nc
C COHESIÓN DEL SUELO (Kg/cm2) PESO ESPECIFICO (ɣ ) Nq
ɣ PESO ESPECIFICO DEL SUELO (Kgr/m3) ÁNGULO DE FICCIÓN INTERA(ɸ) Nɣ
B ANCHO DE LA CALICATA (m ) FACTOR DE SEGURIDAD(Fs) = 3
D PROFUNDIDAD DE LA CALICATA (m ) FACTOR DE HORIZONTALIDAD ( Fh ) = 1.15
RESULTADO DE CALCULOS
CALICATA C ɸ ɣ B D Nq Nc Nɣ qc (TM/m3) qc /FS qc /Fh qc (Kgr/cm2)
CAL1 0.02 29.8 2.623 1 3 17.99 33.16 21.75 165.2422 55.08073 47.90 4.79
CAL2 0.00 32.7 2.621 0.6 4.75 25.18 40.77 33.61 334.5726 111.5242 96.98 9.70
CAL3 0.02 27.3 2.61 1.4 3 13.64 28.36 15.11 129.5899 43.19664 37.56 3.76
CAL4 0.00 32.2 2.621 1.5 2.3 23.73 39.27 31.15 192.0244 64.00815 55.66 5.57
CAL5 0.00 32.9 2.681 0.8 3.3 25.78 41.40 34.65 257.8373 85.94577 74.74 7.47
CAL6 0.00 31.9 2.676 0.9 4.2 22.91 38.41 29.76 286.1277 95.37591 82.94 8.29
Contenido de Sales Solubles Totales (NTP 339.152 - 2002) Contenido de Cloruros Solubles (NTP 339.117 - 2002) Contenido de Sulfatos Solubles (NTP 339.178 - 2002)
Volumen de los suelos El volumen total de una muestra determinada de suelo se designa como (V) el que esta constituido por el volumen de la materia solida (Vs) y el volumen de vacios (Vv). Las relaciones de volumenes mas usados en mecanica de suelos son: la porosidad, la relacion de vacios y el grado de saturacion. La porosidad “n” de la masa solida es la relacion entre el volumen de vacios y el volumeen total de la masa. La relacion de vacios “e” se define como la relacion entre el volumen de vacios y el volumen de solidos.
El grado de saturacion “S” se define como la relacion existente entre el volumen del agua (Vw) y el volumen de vacios. El contenido de agua en una muestra se determina como la relacion entre el peso del agua y el peso de la materia solida.
INVESTIGACION DE SUELOS CALICATA
• Se observa horizontes de relleno, el horizonte (A) contiene materia orgánica, el horizonte (B) es cohesivo y compacto tipo GC, el horizonte (C) es fácilmente disgregable con predominio de arena oxidada tipo SM y el horizonte D contiene bloques y la presencia de Napa Freática.
Proyecto: ...........................................................Sector/Tramo........................................................
Pozo Nº.............................Ubicación:Km .........................,..............................m. A la izq. Del Eje
Der.
Cota boca: .......................m. Fecha de inspección............................. Inspector...............................
Hoja.......................de...................... Napa de agua (fecha)..............................(..............................).
DESCRIPCIÓN DEL SUELO
Clasificaciones Geotécnicas La clasificación de suelos consiste en incluir un suelo, en un grupo que presenta un comportamiento semejante. La correlación de ciertas propiedades con un grupo de un sistema de clasificación suele ser un proceso empírico. Son consideradas clasificaciones geotécnicas convencionales aquellas que se basan en los ensayos de granulometría y límites de Attenberg (Límite de liquidez y Limite de plasticidad) para clasificar y determinar el estado de los suelos. Entre las más utilizadas en el mundo se encuentra la SUCS
Casagrande (Gonzales de Vallejo, y otros, 2002).
Sistema unificado de clasificación de suelos USCS El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) deriva de un sistema desarrollado por A. Casagrande para identificar y agrupar suelos en forma rápida en obras militares durante la guerra. Este sistema divide los suelos en dos grandes grupos, de granos gruesos y de granos finos, son agrupados
en 15 grupos representados por dos letras.
Los primeros tienen más del 50 por ciento en peso de granos mayores que 0,08 mm; se representan por el símbolo G si más de la mitad, en peso, de las partículas gruesas son retenidas en tamiz 5 mm, y por el símbolo S sí más de la mitad pasa por tamiz 5 mm.
A la G o a la S se les agrega una segunda letra que describe la graduación: W, buena graduación con poco o ningún fino; P, graduación pobre, uniforme o discontinua con poco o ningún fino; M, que contiene limo o limo y arena; C, que contiene arcilla o arena y arcilla. Los suelos finos, con más del 50 por ciento bajo tamiz 0,08 mm, se dividen en tres grupos, las arcillas (C), los limos (M) y limos o arcillas orgánicos (O). Estos símbolos están seguidos por una segunda letra que depende de la magnitud del límite líquido e indica la compresibilidad relativa: L, si el límite líquido es menor a 50 y H, si es mayor.
Indices de Atterberg Están relacionados con la consistencia o la facilidad relativa con la que el suelo puede ser deformado, comprende el Limite liquido (LL), Limite plástico (LP) e índice de plasticidad (IP) Limite liquido (LL).-Es el contenido de humedad wL requerido para que la muestra, en el aparato de Casagrande cierre una ranura de ½’’ de amplitud, a los 25 golpes generados a la cápsula de bronce, con un ritmo de dos golpes por minuto Los valores corrientes son: para arcillas 40 a 60%, para limos 25 a 50%; en arenas no se obtienen resultados.
CUCHARA CASAGRANDE
Limite plástico (LP). Es el menor contenido de humedad Wp para que el suelo se deja moldear. Se hacen bolas de suelo húmedo y se forman rollitos de 1/8’’ sobre una superficie plana, lisa y no absorbente sin agrietarse el suelo. Los valores típicos entre arenas y arcillas se encuentran entre 5 y 30%. En arenas la prueba no es posible. Indice de plasticidad (IP).- Es el rango de contenido de agua sobre el cual un suelo se comporta plásticamente. Numéricamente, es la diferencia entre el limite liquido y el limite plástico.
• Límites de Atterberg: clasificación de los suelos cohesivos. Indica su estado (líquido, plástico o sólido) según el grado de humedad
– Límite líquido wL: frontera entre el estado plástico y el líquido
– Límite plástico wP : frontera entre el estado plástico y el sólido
– Límite de retracción wS :humedad por debajo de la cual se produce disminución de volumen
– Índice de plasticidad: IP=wL - wP
• Determinación del límite líquido: Penetrónomo de cono
• Valores característicos de los límites de Atterberg
Parámetros de identificación de suelos
wL wP IP Suelo
Limo 35 25 10
Arcilla 65 30 35
Cieno 85 40 45
Clasificación AASHTO. El sistema de clasificación de suelos de la "American Association of State Highway and Transportation Officials" es el más utilizado actualmente y se basa en las prestaciones de suelos utilizados en la practica para construir carreteras. Esta clasificación establece 7 grupos y agregados basado al ensayo granulométrico, el limite liquido y el limite plástico, un octavo grupo corresponde a los suelos orgánicos. La evaluación de los suelos dentro de cada grupo se hace por medio de un índice de grupo, que es un valor calculado a partir de una formula empírica.
El índice del grupo indica la idoneidad de un suelo determinado para construir explanaciones. El índice de un grupo igual a "0" indica un material bueno mientras que un índice igual a "20" indica un material deficiente. La clasificación de grupo incluido el índice de grupo, es útil en la determinación de la calidad relativa del suelo para su utilización en estructura de tierra, particularmente en terraplenes, subrasantes, subbases y bases. Para el diseño es necesario realizar otros ensayos como la resistencia y las características de funcionamiento en las condiciones de campo.
A-1-a Principalmente gravas con o sin partículas finas de granulometrías bien definidas. A-1-b Arena con o sin partículas finas de granulometrías bien definidas. A-2-4 Materiales granulares con partículas finas limosas. A-2-5 Intermedio. A-2-6 Materiales granulares con partículas finas arcillosas. A-2-7 Intermedio. A-3 Arena de granulometría deficiente que casi no contiene partículas finas ni gravas. A-4 Principalmente partículas finas limosas.
A-5 Tipos de suelos poco frecuentes que contienen partículas finas limosas, generalmente elásticos y difíciles de compactar. A-6 Contienen partículas finas limosas o arcillosas con un limite liquido bajo. A-7-5 Las arcillas y limos más plásticos. A-7-6 Las arcillas y limos más plásticos. Si el índice de grupo calculado es negativo, reportar este índice como cero (0). Si el suelo es no plástico y el limite liquido no puede ser determinado, reportar el índice de grupo como cero (0). El índice de grupo será el numero entero mas cercano.
En la década de los años 30, R.R. Proctor desarrolló un método estandarizado para determinar el contenido de humedad óptimo y la correspondiente DMCS. Hoy, la AASHTO ha estandarizado mucho más el método desarrollado por Proctor en el llamado ensayo Proctor estándar y además ha introducido el ensayo Proctor modificado, debido a una mayor envergadura de las estructuras proyectadas, que requieren una mayor capacidad de soporte del suelo, para soportar las cargas y limitar los asentamientos.
Estado Tensional del Suelo Al modificar el estado de tensión del suelo se producen deformaciones que pueden originar su ruptura. La ruptura de los suelos es casi siempre un fenómeno de cizallamiento. Por ejemplo cuando una zapata de cimentación es cargada hasta la ruptura o cuando ocurre deslizamiento de un talud. Solo en condiciones especiales ocurren rupturas por tensiones de tracción, como puede ser el caso de las grietas verticales que a veces se observan en la coronación de un talud deslizado, la forma de ruptura más habitual en los suelos es por esfuerzo cortante (tensión tangencial).
Angulo de Rozamiento Es el ángulo máximo, que una fuerza transmitida por un cuerpo a una superficie puede hacer con la normal al plano de contacto sin que ocurra deslizamiento. Alcanzado este ángulo, la componente tangencial es mayor que la resistencia al deslizamiento, que depende de la componente normal. El fenómeno de rozamiento en los suelos se diferencia del fenómeno de rozamiento entre dos cuerpos porque el desplazamiento se hace envolviendo un gran número de granos, pudiendo ellos deslizarse entre sí o rodar unos sobre otros, acomodándose en los vacíos que encuentran.
En las arcillas, el número de partículas es mucho mayor y la parte de la fuerza transmitida en cada contacto es extremadamente reducida. Las partículas de arcilla están envueltas por moléculas de agua adsorbida a ellas. Las fuerzas de contacto no son suficientes para remover las moléculas de agua y son ellas las responsables por la transmisión de las fuerzas. Esta característica es responsable del asentamiento secundario, provoca también una dependencia de la resistencia de las arcillas a la velocidad de compresión a la que son sometidas.
En ingeniería, el ángulo de rozamiento interno es una propiedad de los suelos granulares. El ángulo de rozamiento tiene una interpretación física sencilla, al estar relacionado con el ángulo de reposo o máximo ángulo posible para la pendiente de un montoncito de material granular, en un material sin cohesión y donde las partículas son muy pequeñas en relación al tamaño del montoncito el ángulo de reposo coincide con el ángulo de rozamiento interno. En un material granular el ángulo de reposo está determinado por la fricción, la cohesión y la forma de las partículas
La atracción química entre las partículas puede provocar una resistencia independientemente de la tensión normal actuante en el plano lo que constituye una cohesión real. La cohesión en suelos, en general es muy pequeña aunque existen suelos cimentados naturalmente que presentan partes con cohesión real de alto valor. La cohesión aparente es una parte de la resistencia al cizallamiento de suelos húmedos no saturados, debida a la tensión entre partículas resultantes de la presión capilar del agua. La cohesión es un fenómeno de rozamiento donde la tensión normal que la determina es consecuencia de la presión capilar. Saturándose el suelo, esta resistencia desaparece. Siendo esto más visible en las arenas y es en los suelos arcillosos donde la cohesión aparente adquiere mayores valores.
La adhesión es causada por la atracción de la fase líquida sobre la superficie sólida. La cohesión en un terreno húmedo es provocada por las moléculas de la fase líquida que actúa como puente o membrana entre las partículas vecinas. Tanto la cohesión como la adhesión son influenciadas por el contenido de coloides inorgánicos, resultando de esta forma correlacionada con la plasticidad.
Criterio de Ruptura Mohr-Coulomb La resistencia al corte del suelo no puede considerarse como un parámetro único y constante, ya que depende de su naturaleza, estructura, enlaces, nivel de deformaciones, de su estado tensional y de la presión del fluido que rellena sus poros (agua o agua y aire). • Tensiones Totales.- las tensiones en cualquier punto de un plano que atraviesa una masa de suelo seco pueden ser calculadas a partir de las tensiones principales totales: σ1, σ2 y σ3 que actúan en ese punto. • Tensiones Efectivas.- Terzaghi definió como parte fundamental de su enunciado que si los poros del suelo se encuentran rellenos de agua bajo una presión u, las tensiones principales totales se componen. Una parte, u, llamado presión intersticial, que actúa sobre el agua
y sobre las partículas sólidas en todas las direcciones y con igual intensidad. Las diferencias σ1’= σ1 - u, σ2’= σ2 - u, σ3’= σ3 - u representan un exceso de presión sobre la presión neutra u y actúan exclusivamente en la fase solida del suelo. Estas fracciones de las tensiones principales totales se denominan tensiones efectivas. El criterio de ruptura de Mohr - Coulomb relaciona
tensiones efectivas normales y tensiones tangenciales
actuando en cualquier plano del suelo. Este criterio
establece que, para un suelo saturado, la resistencia al
corte viene dada por la presión:
Ƭ = c’ + (σn - u) tan φ’
donde: Ƭ : resistencia al corte del terreno a favor de un
determinado plano σn: tensión total normal actuando sobre el mismo plano u : presión intersticial c' : cohesión efectiva φ’ : ángulo de rozamiento interno efectivo. La ecuación anterior representa una recta en el espacio (σ’, τ) que a menudo se denomina línea de resistencia intrínseca o envolvente de rotura del suelo. Esta proporciona, para cada valor de la tensión efectiva normal
a un plano que atraviesa elemento del suelo, la máxima
tensión tangencial movilizable a favor de dicho plano.
Asi los parámetros de resistencia al corte del suelo (c’, φ’)
dan lugar a la línea de resistencia intrínseca
•El estado tensional representado por el círculo (a) cuenta con un margen de seguridad, ya que no llega a alcanzar a la envolvente de rotura del suelo. Es por tanto un estado posible y seguro (el suelo no ha roto). • El estado tensional representado por el circulo (b) indica una situación rotura. Así, el punto (O) representa la combinación (σ’f, τf) en un plano que atraviesa el elemento de suelo en el que se alcanzan las condiciones del criterio de rotura definido.
t = C + s tg f
t = C + s tg f
• El estado tensional representado por el circulo (c) es imposible, ya que existirían orientaciones de planos atravesándole elementos de suelo en los que se excederían las condiciones (σ’, τ) de rotura (todos los planos representados por puntos del circulo situados por encima de la línea de resistencia intrínseca).
Del análisis anterior se desprende que, cuando se alcanzan las condiciones de rotura en un elemento de suelo, el círculo de Mohr que representa su estado tensional será tangente a la línea de resistencia intrínseca y además, el plano a favor del cual se alcanzan dichas condiciones de rotura será el representado por el punto de tangencia. La posición de la recta permite identificar el tipo de suelo estudiado de acuerdo a los parámetros c y φ. Así para suelos granulares se tiene una recta que parte del origen, que representa una cohesión igual a cero. Para suelos cohesivos el ángulo de rozamiento interno resulta ser nulo, como se observa en la Figura anterior.
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) El Ensayo de Penetración Estándar (SPT del inglés, standard penetration test), se realiza en el fondo de
un sondeo para obtener un reconocimiento geotecnico
fue desarrollado en el año 1927 por un sondista de la
Raymond Concrete Pile Co, quien propuso a Terzaghi contabilizar el número de golpes necesarios para que
se introduzca a una determinada profundidad una
cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diámetro
exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros,
que es el toma muestras.
Es un tipo de prueba de penetración dinámica, en el cual se cuenta el número de golpes necesarios para introducir 1 pie (z = 30 cm) el toma muestras
La frecuencia habitual para la realización del SPT a lo largo del sondeo es de un ensayo cada 2 a 5 m, o incluso mayor, en función de las características del terreno. Procedimiento del Ensayo SPT Se limpia cuidadosamente la perforación al llegar a la cota deseada para el ensayo, tanto las paredes como el fondo, retirando la batería de perforación e instalando en su lugar un tomamuestras de dimensión estándar. El tomamuestras consta de tres elementos: zapata, tubo bipartido y cabeza de acoplamiento con el varillaje. Este se debe hincar en el terreno 60 cm, contando el número de golpes necesarios para hincar tramos de 15 cm. El golpe para la hinca, se realiza con una maza de 63,5 kg cayendo libremente desde una altura de 76 cm sobre una cabeza de golpeo o yunque.
Equipo de SPT.
Tomamuestras de cuchara partida
La lectura del golpeo del primer y último tramo no se debe tener en cuenta, por la alteración del suelo o derrumbes de las paredes del sondeo en el primer caso, y por posible sobrecompactación en el segundo. La suma de los valores de golpeo de los dos tramos centrales de 15 cm es el valor N, denominado también resistencia a la penetración estándar. En ocasiones, dada la alta resistencia del terreno, no se consigue el avance del tomamuestras. En estos casos, el ensayo se suspende cuando se exceden 100 golpes para avanzar un tramo de 15 cm, y se considera rechazo. El ensayo SPT es simple y puede ser intercalado con
facilidad en cualquier sondeo de reconocimiento. Puede
ejecutarse en casi cualquier tipo de suelo, incluso en
rocas blandas o meteorizadas.
Los resultados de la prueba, se correlacionan empíricamente con las propiedades específicas in situ del terreno. En función de la resistencia a la penetración, el estado del suelo es clasificado por la compacidad, cuando se trata de arena o limo, o por la consistencia, cuando se trata de arcilla o limo arcilloso.
Resistencia a la
Penetración
N° de Golpes (SPT)
Compacidad de la Arena
0 a 4 Muy Floja
5 a 8 Floja
9 a 18 Medianamente Densa
18 a 40 Densa
> 40 Muy Densa
Resistencia a la
Penetración
N° de Golpes (SPT)
Consistencia de la Arcilla
<2 Muy Floja
3 a 5 Floja
6 a 10 Medianamente Densa
11 a 19 Densa
> 19 Muy Densa
Obtención de Parámetros Geotécnicos a partir de Correlaciones Empíricas Las ventajas de este ensayo con relación a otros son la simplicidad equipamiento, bajo costo, y obtención de un valor numérico que puede relacionado con relaciones empíricas. Con la compacidad para suelos granulares Con el ángulo de rozamiento en suelos granulares, φ; aplicable a partir de 2 m de profundidad. Con la densidad relativa, teniendo en cuenta la influencia de la profundidad.
N (SPT) Compacidad Φ’
0-4 Muy floja 28°
4-10 Floja 28°-30°
10-30 Medianamente densa 30°-36°
30-50 Densa 36°-41°
>50 Muy densa >41°
Correlación entre el SPT y el ángulo de rozamiento interno de suelos granulares.
Interpretación de datos SPT, teniendo en cuenta la profundidad (Gonzales de Vallejo, y otros, 2002).
AUSCULTACIÓN DINÁMICA CON EL CONO TIPO PECK De acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones de Junio del 2006, el ensayo consiste en la introducción en forma continua de una punta cónica, empleando la misma energía que el Ensayo de Penetración Estándar (SPT, ASTM D 1586), en la que la cuchara estándar es reemplazada por un cono de 6.35 cm. (2.5") de diámetro y 60º de ángulo en la punta. Este cono se hinca en forma continua en el terreno. El registro de la auscultación se efectúa contando el número de golpes para introducir la punta cónica cada 15 cm. El resultado se presenta en forma gráfica indicando el número de golpes por cada 30 cm. de penetración. Se usa en suelos finos con presencia de
cierto porcentaje de gravas con bolonerías donde el ensayo de
penetración estándar no prospera.
Se recomienda su uso hasta 8 mts de profundidad, en ningun caso se debe superar los 10 mts.
TECNICAS GEOFISICAS Los métodos de prospección sísmica se realizan in situ permiten caracterizar el comportamiento geotécnico y conocer las características físicas de comportamiento y estructurales de grandes volúmenes de terreno en sus condiciones naturales. Son técnicas muy representativas de las propiedades del subsuelo y su uso en aplicaciones geotécnicas está muy consolidado, en su estado actual de desarrollo, no proporcionan datos cuantitativos sobre la fuerza cortante, compresibilidad o distribución de las partículas, pero si las mediciones de la velocidad sísmica en las diferentes capas de suelo.
En el mejor de los casos, los sondeos geofísicos son un medio para obtener datos sobre los cambios en los estratos entre perforaciones muy espaciadas. En terrenos muy grandes, el empleo de métodos geofísicos puede representar un gran ahorro dada la rapidez con que permiten cubrir grandes áreas. Generalmente, resultan más adecuados para investigaciones de presas o túneles, en donde se requiere la investigación de la roca a gran profundidad, en suelos se aplica a los compuestos por muchos guijarros o pedregones en los cuales es imposible sondear o realizar pruebas de penetración de cono.
La investigación geofísica es definida como un método para deducir las condiciones del subsuelo a través de la observación de fenómenos físicos, bien sea naturales o artificiales, directa o indirectamente relacionados con la estructura geológica del subsuelo. Originalmente fue desarrollada como un método efectivo para la prospección del petróleo y otros depósitos de minerales. Después de la segunda guerra mundial se empezó a utilizar para estudiar terrenos montañosos (rocosos) para la construcción de represas y túneles. En la década 1970, se empezó a aplicar la geofísica para el estudio de suelos blandos, en el campo de la ingeniería, en áreas aluviales y depósitos sedimentarios.
Actualmente es el método mas empleado para investigar además de los recursos minerales la estructura geológica superficial de los suelos y tiene aplicaciones específicas en el campo de la ingeniería civil. Generalmente, los
métodos geofísicos resultan más adecuados para
investigaciones de presas o túneles, en donde se
requiere la estratificación de la roca a gran profundidad y
para investigación de suelos que contengan muchos
guijarros o pedregones en los cuales es imposible
sondear o realizar pruebas de penetración de cono.
Los métodos geofísicos que actualmente se usan en la ingeniería civil se muestran en la tabla.
Prospeccion en
Metodo Fenomeno fisico observado
Propiedades fisicas obtenidas
Aplicaciones
Superficie
Prospección Sísmica (reflexión, refracción y medición de Microtrepi daciones
Ondas elásticas Velocidad de las ondas elásticas
Estructura y características dinámicas del subsuelo
Prospección sónica
Reflexión de las ondas de sonido
Impedancia acústica Estructura del subsuelo (área marina)
Prospección eléctrica
Corriente terrestre electric
Potencial espontáneo y Resistividad
Estructura del suelo y de aguas subterráneas
Microgravi metría
Gravedad terrestre Gravedad Ubicación de fallas, fracturas ubicación de cavidades
Prospeccion en
Metodo
Fenomeno fisico observado
Propiedades fisicas obtenidas
Aplicaciones
Profundidad
Sondeo de velocidad (borehole, downhole, uphole)
Ondas elásticas Velocidad de las ondas elásticas
Estructura y características dinámicas del subsuelo
Sondeo PS Ondas elásticas Velocidad de ondas elásticas
Estructura y características dinámicas del subsuelo
Sondeo de reflexión
Reflexión de las ondas de sonido
Impedancia acústica
Dureza y grietas en el subsuelo
Prospección eléctrica
Corriente eléctrica de la tierra
Potencial espontáneo, resistividad específica
Estructura del suelo y de aguas subterráneas
Sondeo radioactivo
Intensidad de los rayos radioactiv
Densidad y contenido de humedad
Propiedades de los suelos
Modificado a partir de Imai (1975) complementado con Sarria (1996)
Para ingeniería civil son muy usados los métodos de refracción y reflexión sísmica, down-hole y microtrepidaciones. Los tres primeros son los métodos activos que requieren de una fuente artificial generadora de ondas sísmicas, y el de microtrepidaciones se clasifica dentro de los pasivos ya que se limita a registrar las vibraciones a las que están sometidos permanentemente los depósitos de suelo y roca. En el método de down-hole se produce una excitación en la superficie y se recoge la respuesta a diferentes profundidades dentro de un sondeo. Esto permite ver las variaciones de la velocidad de la onda P en profundidad. Las microtrepidaciones, vibraciones a las que están sometidos los estratos de suelo, han sido utilizadas desde mediados de 1950 para el estudio de los periodos de vibración de suelo.
Requieren de un solo sitio de observación donde se registran las microtrepidaciones. Los análisis de las señales son principalmente de sus contenidos frecuenciales.
CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LOS SUELOS MEDIANTE LA
TÉCNICA REMI (Refraction Microtremor). La caracterización geotécnica del terreno mediante la técnica ReMi (Refraction Microtremor) consiste en determinar la velocidad de propagación de las ondas S (VS) de los suelos, para cuantificar sus propiedades de rigidez y deformación y obtener parámetros de diseño en la ingeniería civil. La técnica ReMi (Louie, 2001) es un método relativamente reciente de la sísmica pasiva que se basa en la adquisición del ruido ambiental para la determinación del perfil de distribución de la velocidad de propagación de las ondas S (Vs) en el terreno.
El ruido ambiental está fundamentalmente constituido por ondas Rayleigh, de modo que adquiriendo registros suficientemente largos se puede obtener la curva de dispersión experimental de estas ondas. Las ondas Rayleigh fueron descritas por primera vez por John Strutt, barón de Rayleigh en 1885 en el artículo “On waves propagated along the plane surface of an elastic solid”, pero no fue hasta el final de los años 50 cuando empezaron a utilizarse en problemas de caracterización de suelos. Las ondas Rayleigh se propagan por la superficie libre, o por el límite entre dos medios sólidos distintos.
Son ondas sísmicas plano-polarizadas verticalmente, con un movimiento de vibración de partículas elíptico y retrógrado que se puede interpretar como una combinación de vibraciones tipo P y SV Se utilizan para caracterización de suelos debido a que presentan una serie de propiedades físicas específicas que las hacen especialmente adecuadas para la prospección sísmica: se miden fácilmente desde la superficie del terreno, presentan una relación directa con la velocidad de propagación de las ondas S y son ondas dispersivas . Como se propagan por la superficie del terreno, las ondas Rayleigh se pueden medir fácilmente a través de receptores colocados sobre el suelo.
La curva de dispersión relaciona la velocidad de fase con la frecuencia y sólo depende de las propiedades mecánicas del medio atravesado. Al mismo tiempo, la velocidad de propagación de las ondas Rayleigh (VR) guarda una relación directa con la Vs, de manera que a partir de la curva de dispersión de las ondas Rayleigh se puede derivar un modelo de distribución de Vs en profundidad. Gracias a estas características, es una técnica especialmente recomendada para zonas urbanas porque cubre las necesidades de caracterización de áreas donde otros métodos geofísicos (sísmica convencional, métodos eléctricos o electromagnéticos) presentan problemas.
Principales propiedades demandadas por el ingeniero. Estructura del suelo y granulometría 1. Estabilidad volumétrica: Los cambios de
humedad son la principal fuente: Se levantan los pavimentos, inclinan los postes y se rompen tubos y muros.
2. Resistencia mecánica: La humedad la reduce, la compactación o el secado la eleva. La disolución de cristales (arcillas sensitivas) baja la resistencia.
3. Permeabilidad: La presión de poros elevada provoca deslizamientos y el flujo de agua, a través del suelo, puede originar tubificación y arrastre de partículas sólidas.
4. Durabilidad: El intemperismo, la erosión y la abrasión amenazan la vida útil de un suelo, como elemento estructural o funcional.
5. Compresibilidad: Afecta la permeabilidad, altera la magnitud y sentido de las fuerzas interpartícula, modificando la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y provocando desplazamientos. Las anteriores propiedades se pueden modificar o alterar de muchas formas: por medios mecánicos, drenaje, medios eléctrico, cambios de temperatura o adición de estabilizantes (cal, cemento, asfalto, sales, etc.).
