UNIVERSIDAD NACIONAL DE CRDOBA FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS FSICAS Y NATURALES Tesis Doctoral Comportamiento tenso-deformacional de limos lossicos en direccin horizontalPedro A. Arra Octubre 2008 Comportamiento tenso-deformacional de limos lossicos en direccin horizontalporMCs. Ing. Pedro A. Arra Dr. Ing. Franco M. Francisca DirectorEstaTesisfueenviadaalaFacultaddeCienciasExactasFsicasyNaturalesdela UniversidadNacionaldeCrdoba,paracumplimentarlosrequerimientosde obtencin del grado acadmico de Doctor en Ciencias de la Ingeniera. Crdoba, Argentina Junio de 2008 AgradecimientosQuiero expresar mi ms sincero agradecimiento a mi director de tesis y amigo, el Dr. Franco Francisca por el apoyo, compaa y consejos brindados durante mi carrera doctoral. A mis profesores Emilio Redolfi y Roberto Terzariol por ensearmenosolocuestionestcnicassinotambinunaalternativade integridadpersonalyprofesional.Graciasporsuconstanteapoyosin ustedes,nadadeestohubierasidoposible.AMarceloZeballosporsus concejos y orientacin sobre el desarrollo de este trabajo. AlDr. Carlos Prato yVctorDeNapoliporelbrindarlosdatosdesusensayossobrepilotes.Le agradezco al Dr. Federico Pinto por compartir su visin sobre mi trabajo en los comienzos de su desarrollo. Su orientacin en el estudio sobre la teora de expansin de cavidades ha facilitado notablemente el abordaje de estos temas.Al Dr. Vctor Rinaldi, por poner a disposicin los recursos del Laboratorio de GeotecniadelaFCEFyN-UNC.Graciasporbrindarunasonrisadealiento desdemisprimerosdascomoestudiantedoctoral.Tambinagradezcoalos integrantesdellaboratorioporfacilitarlasactividadesdesarrolladasparala ejecucindeestaTesis(Dr.JuanClari,Ing.JulioCapdevila,Ing.Rodrigo Molina).Alplanteldocentedeloscursosdeformacinespecfica,dela UniversidadNacionaldeCrdoba,quehancontribuidodemanera inconmensurable a mi formacin.LeagradezcoamiscompaerosdeencuentrossemanalesIng.Marcos Montoro, Ing. Magali Carro Prez e Ing. Pablo Nievas, por las sugerencias y discusiones desarrolladas durante mi actividad de investigacin.ExpresomireconocimientoyagradecimientoalDepartamentodeIngeniera CivildelaFacultadRegionalCrdoba,UniversidadTecnolgicaNacional, Facultad Regional Crdoba y su plantel docente por el apoyo brindado para la realizacin de esta Tesis. En particular al Director de Departamento Ing. Salvador Giordano por facilitarme el acceso a los recursos del laboratorio de Ingeniera Civil.Agradezco de manera especial a la UTN por el apoyo econmico brindado, el cualhasidofundamentalparapoderculminarestetrabajoyenespeciala LuisCanaliporsussanosconsejosysupermanenteapoyoenlastareasde investigacin y gestin institucional. Quieroagradecerespecialmenteamifamilia:papymamporquesinellos nada hubiera sido posible. A Carina, Rodrigo, Guada, Ignacio y Joaquin, por la bondad de sus consejos y la esperanza de sus sonrisas. A Macarena por su infinito amor y ternura constantes que han sido, son y sern el combustible demalmaparaenfrentarlavidaconalegrayarmona...Graciasportu paciencia.AGonzaloAiassaqueporsuincondicionalamistad,su transparente accionar y permanente compaerismo han hecho de este desafo una senda de alegra. Gracias por la bronca y la risa de cada da.Pedro A. Arra 04/04/08A mi esposa Comportamiento tenso-deformacional de limos lossicos en direccin horizontalResumenLos limos de origen lossico poseen un comportamiento altamente dependiente de las condicionesambientalesylosnivelestensionales,ysuspropiedadesvaran considerablemente en distancias cortas. Desde la ltima dcada del siglo pasado, los estudiosdeinteraccinsuelo-piloteenestetipodesuelosserealizanatravsde anlisis inversos de calibracin a resultados experimentales. En esta Tesis, se analiza lavariabilidaddelaspropiedadesfsico-mecnicasdelosloess,seidentificanlos aspectosquecontrolanelcomportamientomecnicoyseestableceelnivelde anisotropadelmismo.Larespuestadelsueloendireccinhorizontalseestudia mediante un experimento de laboratorio diseado en este trabajo que permite aplicar yregistrarpresionesydeformacioneshorizontales,bajocondicionescontroladasde humedadypresinvertical.Eldispositivo,denominadominipresimetrode laboratorio,sebasaenlateoradeexpansindecavidadescilndricas.Coneste ensayosecuantificaelefectodelapresindeconfinamiento,lapresinde sobreconsolidacinylainfluenciadeincrustacionesnodularesotosquillasenel comportamientodelsuelo.Lavariabilidadinherenteyestructuracindelsuelose evalanmediantesimulacionescomputacionalesdelexperimentocontrastandolos resultados numricos con los experimentales. Para la prediccin del comportamiento depilotessometidosasolicitacioneslateralesinstaladosenloess,semodificaun mtodo de clculo existente para hacer efectiva su aplicabilidad a suelos lossicos. Se desarrollaunprocedimientoparaestablecerlascurvasdetransferenciadecarga horizontalparasueloslossicos(curvasp-y)contemplandoelcambioenlas condicionesdesaturacin,elniveldedeformacinylaprofundidadapartirdelos resultadosobtenidosconelensayominipresiomtrico.Finalmente,semuestrala influencia de la perdida de rigidez por humedecimiento del suelo y su influencia en la respuesta de sistemas suelo-pilote.Stress-strain behavior of loessical silts in the horizontal directionAbstractLoessbehaviordependsonenvironmentalconditions,watercontent,andpressure level.Thistypeofsoilhasphysicalandmechanicalpropertiesthatshowimportant variationsinshortdistances.InthisThesis,themainphysicalandmechanical properties of loess are examined. In particular, the strain-stress behavior loess in the horizontal direction and the anisotropy ratio are analyzed. A new laboratory device, designedasmini-pressuremeter,isdevelopedinordertoevaluatethemechanical responseofloessicalsiltsinthehorizontaldirectionatdifferentmoisturecontents andeffectiveverticalpressures.Theeffectofconfiningpressure,overconsolidation ratioandpresenceofhardinclusions(nodules)insidethesoilmatrixare experimentallyquantifiedbymeansofthisnewlaboratorydevice.Theinfluenceof thespatialvariabilityofmechanicalpropertiesandmicro-structureofloessare simulatedthroughnumericalmodelbyusingthefiniteelementtechniqueand validated by experimental tests. The behavior of piles in loessical soils under lateral loadsisevaluatedbymodifyingfrequentlyusedtheoreticalmodelsreportedinthe literature.Anewproceduretoestablishthep-ycurvesfromthelaboratory pressuremeter tests considering different saturation conditions, deformation level and overburdenpressureisdeveloped.Finally,theimportanceofchangingthesoil moisture content on the response of a soil-pile system is evaluated. Comportamento tensodeformazionale dei limi loessicci in direzione orizzontale AstrattoI pali sottoposti a sollecitazioni laterali installati nei suoli di tipo lossicci, hanno una rispostagovernatadallecaratteristichedellostratoinstabile.Ilcomportamentodi questi terreni altamente dipendente delle condizioni ambientali e i livelli di tensione, lecuiproprietvarianonotevolmentepureinpontivicini.Losviluppodistudisul sistema globale terreno-palo in questo tipo di suolo stato sviluppato a livello locale e internazionale,nell'ultimodecennio,attraversol'analisiinversadirisultati sperimentali. In questa tesi, si esamina la variabilit delle propriet fisico-meccaniche dei loess, e si identifica quegli aspetti che controllano il comportamento meccanico, e sestabilisceilsuolivellodianisotropiadirezionale.Larispostadelsuoloinsenso orizzontalestudiatadaunsperimentodilaboratorio,chiamatoprova minipressiometrica,checonsentediapplicareeregistrarepressioniedeformazioni orizzontali,suuncampionecontrolandoilcontenutodiumiditdelsuoloela pressioneverticale.Ildispositivosibasanellateoriadiespansionediunacavit cilindrica.Conquestotestsiquantifical'effettodicontenimentodellapressione,la pressionedisopraconsolidazioneelaincidenzadeindulicalcareinellamatricedel terreno.Lavariabilitintrinsecaelastrutturazionesonovalutateattraverso simulazionicomputazionalli,contrastandol'analissinumericoconirisultati sperimentali.Perlapredizionedelcomportamentodipalisottopostiasollecitazioni laterali infissi in terreno loessico, si modifica la metodologia di calcolo essistente per definire la sua applicabilit a questi terreni. Si sviluppa un procedimento per definire le curve di spostamento orizzontale nel piano di carico (curve p-y) prendendo conto delle modificazioni nelle condizioni di saturazione, del livello di deformazione e della profondit,neirisultatiottenuticoniltestminipresiomtrico.Infine,sidimostra l'importanza difare ressoconto dell'instabilit dello strato di terreno per l'umidit del suolo prodotto di cambiamenti nella falda hdrica e la sua influenza sulla risposta del terreno-palo.iContenido Captulo 1: Introduccin 1.1 Aspectos generales...................................................................................................1 1.2 Objetivos generales y especficos del trabajo...........................................................6 1.3 Organizacin de la tesis...........................................................................................8 Captulo 2: Comportamiento tenso-deformacional de los suelos lossicos:Estado del conocimiento 2.1 Introduccin............................................................................................................12 2.2 Composicin y estructura de los loess argentinos....................................................13 2.2.1 Consideraciones generales...............................................................................13 2.2.2 Evolucin y composicin del loess ..................................................................13 2.3 Comportamiento mecnico del loess........................................................................16 2.3.1 Inestabilidad de la masa de suelo ...................................................................16 2.3.2 Interaccin entre partculas ............................................................................19 2.3.3 Valoracin del colapso....................................................................................21 2.3.4 Rigidez del loess .............................................................................................29 2.3.5 Resistencia al corte.........................................................................................34 2.3.6 Estimacin del comportamiento mecnico y estructura del loess ...................37 2.4 Variabilidad de las propiedades fsicas y mecnicas................................................38 2.5 Sntesis y conclusiones.............................................................................................44 Captulo 3: Teora de expansin de cavidades. Aplicaciones a la geotecnia:Estado del conocimiento 3.1. Introduccin...........................................................................................................47 3.2 Ecuacin para la expansin de cavidad...................................................................48 3.2.1 Aspectos generales ..........................................................................................48 3.2.2 Solucin elstica .............................................................................................49 3.2.3 Solucin elasto-plstica perfecta.....................................................................52 3.2.4 Otras soluciones..............................................................................................58 3.3 Aplicacin de la teora de expansin a la mecnica de suelos .................................60 3.3.1 Consideraciones generales...............................................................................60 3.4 Principio del ensayo presiomtrico..........................................................................62 3.4.1 Aspectos preliminares.....................................................................................62 ii3.4.2 Ensayos de expansin en arcilla .....................................................................65 3.4.3 Ensayos de expansin en arena ......................................................................65 3.4.4 Ensayos de expansin en otros tipos de suelo.................................................67 3.5 Presimetros auto-perforantes.................................................................................69 3.5.1 Aspectos preliminares.....................................................................................69 3.5.2 Ensayos de expansin en arcilla .....................................................................71 3.5.3 Ensayos de expansin en arena ......................................................................77 3.6 Presimetros de gran desplazamiento .....................................................................79 3.6.1 Consideraciones generales...............................................................................79 3.6.2 Mdulo de corte..............................................................................................81 3.6.3 Evaluacin del ngulo de friccin...................................................................89 3.7. Sntesis y conclusiones............................................................................................92 Captulo 4: Pilotes sometidos a esfuerzos horizontales: Estado del conocimiento 4.1 Introduccin............................................................................................................98 4.2 Pilotes sometidos a cargas horizontales...................................................................99 4.2.1 Consideraciones generales...............................................................................99 4.2.2 Antecedentes histricos en medicin de deflexin horizontal .........................102 4.3 Criterios de resistencia lateral ltima......................................................................104 4.3.1 Aspectos generales ..........................................................................................104 4.3.2 Metodologas de clculo..................................................................................104 4.4 Criterio de deformacin...........................................................................................117 4.4.1 Consideraciones preliminares..........................................................................117 4.4.2 Aproximacin por reaccin lateral del suelo...................................................118 4.4.3 Aproximacin elstica a la solucin de pilotes cargados lateralmente............120 4.4.4 Curvas de comportamiento de la interfase suelo-pilote ..................................122 4.4.5 Antecedentes regionales. Pilotes bajo solicitaciones laterales .........................122 4.5 Curvas de presin deformacin (Curvas p-y) ..........................................................123 4.5.1 Curvas p-y en arena .......................................................................................123 4.5.2 Curvas p-y en arcilla ......................................................................................129 4.5.3 Curvas p-y en arena o arcilla .........................................................................133 4.6 Sntesis y conclusiones.............................................................................................141 Captulo 5: Materiales y Mtodos 5.1 Introduccin............................................................................................................142iii5.2 Principales propiedades fsicas del suelo utilizado...................................................143 5.2.1 Consideraciones preliminares..........................................................................143 5.2.2 Contenido de humedad y grado de saturacin ...............................................143 5.2.3 Peso unitario ..................................................................................................144 5.2.4 Distribucin de tamaos de las partculas......................................................145 5.2.5 Lmites de consistencia...................................................................................146 5.3 Probetas de suelo empleadas en la caracterizacin mecnica..................................149 5.3.1 Muestras remoldeadas ....................................................................................149 5.3.2 Muestras reconstruidas...................................................................................150 5.3.3 Muestras inalteradas.......................................................................................150 5.4 Ensayos de compresin confinada ...........................................................................150 5.4.1 Caractersticas generales.................................................................................150 5.4.2 Muestras ensayadas ........................................................................................151 5.5. Desarrollo del Mini-Presimetro de Cono (MPC) ..................................................151 5.5.1 Aspectos generales ..........................................................................................151 5.5.2 Caractersticas de la prensa............................................................................152 5.5.3 Caractersticas de la celda ..............................................................................152 5.5.4 Caractersticas de la sonda de ensayo.............................................................153 5.5.5 Caractersticas del controlador de presin y volumen ....................................155 5.5.6 Configuracin general para el ensayo minipresiomtrico ................................157 5.6. Calibracin.............................................................................................................1605.6.1 Consideraciones generales...............................................................................160 5.6.2 Calibracin de nivel-volumen .........................................................................161 5.6.3. Calibracin por expansin de conductos y conexiones...................................162 5.7 Sntesis y conclusiones.............................................................................................165 Captulo 6: Comportamiento de loess en direccin horizontal6.1. Introduccin...........................................................................................................1676.2 Compresin confinada en direccin vertical ............................................................168 6.2.1 Preparacin de las muestras ...........................................................................168 6.2.2 Compresin confinada a humedad natural .....................................................168 6.2.3 Compresin confinada a humedad incrementada ...........................................171 6.3 Compresin confinada en direccin horizontal ........................................................173 6.3.1 Preparacin de las muestras ...........................................................................173 6.3.2 Compresin confinada a humedad natural .....................................................173 6.3.3 Compresin confinada a humedad incrementada ...........................................174 iv6.4 Compresin confinada sobre muestras remoldeadas................................................176 6.4.1 Preparacin de las muestras ...........................................................................176 6.4.2 Compresin confinada a diferentes grados de saturacin ...............................176 6.5 Expansin minipresiomtrica sobre muestras inalteradas .......................................177 6.5.1 Preparacin de las muestras ...........................................................................177 6.5.2 Ensayo de expansin a humedad natural e inundada.....................................178 6.6 Expansin minipresiomtrica sobre muestras remoldeadas .....................................179 6.6.1 Aspectos generales ..........................................................................................179 6.6.2 Expansin a diferentes grados de saturacin..................................................179 6.7 Expansin sobre muestras remoldeadas con incrustaciones nodulares ....................181 6.7.1 Preparacin de las muestras ...........................................................................181 6.7.2 Expansin sobre muestra remoldeada con ndulos.........................................182 6.8 Expansin sobre muestras remoldeadas diferente relacin de sobreconsolidacin ...183 6.8.1 Preparacin y resultados obtenidos sobre las muestras ..................................183 6.9 Anlisis de resultados..............................................................................................184 6.9.1 Comportamiento en carga deformacin bajo estado edomtrico.....................184 6.9.2 Comportamiento horizontal bajo expansin de cavidad.................................193 6.9.3 Simulacin numrica de la expansin de cavidad en loess..............................194 6.10 Discusin ...............................................................................................................1996.11 Sntesis y conclusiones...........................................................................................200 Captulo 7: Modelacin del ensayo minipresiomtrico en loess 7.1 Introduccin............................................................................................................2027.2 Herramientas de prediccin.....................................................................................203 7.2.1 Consideraciones preliminares..........................................................................203 7.2.2 Modelos empleados para la simulacin de comportamiento ...........................204 7.3 Geometra y dispositivo en anlisis .........................................................................205 7.3.1 Aspectos generales ..........................................................................................205 7.3.2 Caractersticas fsicas del dispositivo relevantes para la modelacin..............205 7.4 Soluciones analticas para la expansin de cavidad cilndrica .................................206 7.4.1 Consideraciones generales...............................................................................206 7.4.2 Solucin elstica de expansin cilndrica ........................................................206 7.4.3 Solucin elasto-plstica de expansin cilndrica..............................................210 7.5 Solucin numrica para la expansin de cavidad cilndrica.....................................213 7.5.1 Generalidades .................................................................................................213 7.5.2 Suelos con propiedades mecnicas determinsiticas ........................................221 v7.5.3 Suelos con propiedades mecnicas aleatorias (influencia mdulo elasticidad) 227 7.5.4 Suelos con propiedades mecnicas aleatorias e incrustaciones nodulares........231 7.6 Sntesis y conclusiones.............................................................................................235 Captulo 8: Pilotes instalados en loess sometidos a cargas laterales 8.1 Introduccin............................................................................................................2378.2 Modelo de comportamiento bidimensional ..............................................................238 8.3 Pilotes instalados en suelos cohesivos......................................................................239 8.4 Pilotes instalados en suelos de grano grueso ...........................................................245 8.5 Pilotes instalados en suelos de limosos....................................................................252 8.5.1 Aspectos generales ..........................................................................................252 8.5.2 Variacin del mdulo de reaccin horizontal (kh) en profundidad.................253 8.5.3 Obtencin de curvas p-y mediante anlisis inverso ........................................258 8.5.4 Mtodos de construccin de curvas p-y con el minipresimetro.....................267 8.5.5 Prediccin de comportamiento de pilotes en suelos limo-lossicos..................281 8.5.6 Comportamiento bajo condicin de humedecimiento localizado.....................289 8.6 Conclusiones............................................................................................................293Captulo 9: Conclusiones 9.1 Conclusiones............................................................................................................2989.1.1 Sntesis del comportamiento del loess bajo solicitaciones laterales .................298 9.1.2 Contribuciones al conocimiento realizadas en este trabajo.............................303 9.2 Recomendaciones para estudios futuros ..................................................................305 Anexo I: Expansin en cavidades cilndricas. Formulaciones analticas......................308Anexo II: Diseo basado en niveles de confiabilidad....................................................341 Anexo III: Lista de smbolos.........................................................................................390Anexo IV: Resultados de compresin confinada...........................................................400Referencias....................................................................................................................41911. Captulo 1 2. Introduccin1.1 Aspectos generales En terrenos donde se ubican estructuras de gran porte surge el problema de latransmisindeesfuerzosalsuelo.Cuandoelestratosuperficialespoco resistenteopresentainestabilidadensucomportamientoantemodificacin delascondicionesambientales,lasolucinaceptadainternacionalmente consisteenelempleodefundacionesquetrasmitenlosesfuerzosamantos profundosdemayorresistencia(RandolphyWroth1978,PoulosyDavis 1980, Oteo Mazo 1980, Rodriguez Ortiz et al. 1982, Bowles 1988, Fang 1990, PrakashySharma1990,Das1999,Reeseetal.2005).Lasfundaciones mediantepilotes,usualmentesondiseadasparatransmitiresfuerzosen direccinvertical,peropuedenserproyectadaspararesistircargasen direccin horizontal bajo comportamiento de flexin.Lospilotessometidosasolicitacioneslateralessolopuedentransferirlas cargasalmantodesueloenelqueseencuentraninstalado.Enestratos lossicoselcomportamientoglobaldelossistemasesgobernadoporlas caractersticas tenso-deformacionales del suelo (Moll y Rocca 1991, Terzariol yAbonna1992,RedolfiyZeballos1996,Clari2003,Rinaldi2006).La parametrizacin se realiza mediante ensayos de laboratorio, ensayos de carga in situ o mediante correlaciones basadas en ensayos penetromtricos (Cassan 1982,BerryyReid1993,Francisca2007)yengeneral,todoslosmtodos consideran los parmetros del suelo como valores determinsticos y en muy pocos casos se consideran valores probabilsticos, o la variabilidad espacial de los parmetros considerados (Harr 1987, Fenton 1997, Duncan 2000, Kulhawy y Phoon 2002, Phoon 2004).2En el caso de los suelos lossicos de la provincia de Crdoba, las propiedades fsicas y mecnicas pueden variar notablemente en distancias muy cortasen elordendelosmetros(Roccaetal.2006).Porejemplo,RoccayQuintana Crespo (1997) advirtieron una importante variacin de los asentamientos por colapso, cuando realizaron la zonificacin de la ciudad de Crdoba. Similaresobservacionespuedenrealizarseaescalasmayores(regionales)y menores(locales).Estosedebealavariabilidaddelaspropiedadesdelos suelosenescasosmetrosdedistancia(LambeyWithman1968,Krahny Fredlund1983,Bowles1988,Popescuetal.1997,FrantziskonisyBreysse 2003, Dahbar y Verra 2006). De esta forma, la tendencia de utilizar para el diseo:propiedadesmediasdelossuelosyfactoresdeseguridadestsiendo complementadaportcnicasdediseobasadoennivelesdeconfiabilidad (ONeill 1986, Harr 1989, Fenton 1997, Ahammed y Merches 1997, Tandjiria et al. 2000, Duncan 2000, Al-Homoud 2000, Gutirrez et al. 2002). Para ello, seutilizanunconjuntodepropiedadesfsico-mecnicasparaelsuelo considerado, en lugar de valores unvocos como los utilizados en los mtodos basados en el computo de factores de seguridad (Harr, 1987).Elcomportamientodepilotessometidosacargaslateraleshasido ampliamenteestudiadosobrearenasoarcillas.Larespuestadelsistemase evala a travs de los desplazamientos horizontales en la cabeza del pilote o lamximacargaadmitida(Raes1936,Rowe1953,MatlockyReese1960, Brinch Hansen 1961, Reese 1964, Coyle y Reese 1966, Mattes y Poulos 1969, Randolph et al. 1978, Prakash et al. 1979, Poulos 1985, Sagaseta 1986). Sin embargo, en el caso de suelos lossicos, la mayora de los estudios realizados se restringen al clculo de capacidad de carga y asentamientos bajo esfuerzos verticales (Nadeo y Videla 1975, Kalashnikova 1976; Krutov 1984; Alonso etal.1985,Redolfi1993).Losprimerosesfuerzosenelestudiodepilotes sometidosacargaslateralesensueloslossicosdelcentrodeArgentinahan sidoefectuadosporTerzariol(2006a-b)yDeNapoli(2006),quienesemplean anlisisinversosparaajustarmodelosnumricosalosresultados experimentales del sistema suelo-pilote.3Generalmente,lasprincipalestcnicasempleadasenlaevaluacindepilotes sometidos a cargas horizontales son: x Mtodosempricosbasadosencorrelaciones.Estosdiseos correspondenaanlisisdecapacidaddecargaodeflexionesa partirdeensayosinsitu,talescomoelensayodepenetracin estndar,elensayodepenetracinesttica,pruebasdehinca continua, ensayos presiomtricos, o dilatomtricos, entre otros.x Mtodosnumricosbasadosencurvasdetransferenciadecarga horizontal(curvasp-y)sobreelementosdiscretosdepilote (resortes). Donde las propiedades de los resortes, se establecen a partirdelcomportamientomecnicodelsuelo.Estos procedimientospermitencapturarlanolinealidaddelsistemay suvariacincon(1)laprofundidad,(2)ladegradacindel mdulo de reaccin lateral con la deflexin, (3) el cambio en las condicionesambientales,etc.Lascurvasp-yusualmenteson calibradasapartirderesultadosexperimentalesoutilizando anlisis numricos inversos. x Mtodosnumricos(mtododeloselementosfinitos,mtodode loselementosdecontorno,etc.).Loscdigosdesarrolladosenla actualidadpermitenmodelarelsueloyelpiloteconsiderando diversosmodelosconstitutivosdematerial.Modelosdemayor complejidadposeenmayorcantidaddeparmetrosyeneste aspecto radica la desventaja de estos procedimientos, debido a la ausencia,escasezoincertidumbredelosresultados experimentales.Actualmente no es posible estimar la respuesta de pilotes sometidos a cargas laterales instalados en loess.4Enlaprcticaingenierilsehadadorespuestaaesteproblemamediante alguno o varias de las siguientes alternativas:(I) Seadoptaunasolucineneldiseoestructuralqueevitelas acciones horizontales. (II) Sedimensionanlospilotesenbaseaexperienciaspreviasyse efectanensayosdecargalateralparaevaluarlarespuestadel sistema suelo-pilote. (III) Secalculanlasdeflexionesparadiferentesnivelesdecarga empleandoparmetrosdelsuelobajolascondicionesmas desfavorables,empleandolosmtodosdesarrolladosparaarenasy arcillas.Finalmenteseestableceunfactordeseguridadque contemple la incertidumbre de la estimacin. (IV) Secalculalaresistencialtimadelpiloteconlosmtodos desarrolladosparaarcillasyarena.Seestableceunfactorde seguridad que contemple la incertidumbre del proceso.Esto pone de manifiesto, lo poco que se conoce sobre la respuesta del pilote bajo acciones laterales fundamentalmente por: (a) Lacarenciadeinformacinreferidaalcomportamientoen direccinhorizontaldelloessquecontemplelavariabilidadde las propiedades del suelo(b) La ausencia en las metodologas de clculo en la evaluacin del nivel de confiabilidad de la estructura diseada.5Respectoalpunto(a),numerososinvestigadoreshanempleadoelensayo presiomtricoparalacaracterizacindelcomportamientodelsuelosen direccinhorizontalenarenasyarcillas(Menard1956,GibsonyAnderson 1961,Baghelinetal.1978,Clarkeetal.1979,Wroth1982,Briaud1986, Schnaid y Houlsby 1990, Fahey y Carter 1991, Rollins et al. 1994, Yao 1996, Clarke1996,Bosch1996,Yuetal.1996,SmithyRollins1997,Cudmaniy Osinov 2001, Silvestri 2001, Schnaid et al. 2004, Silvestri 2004, Wenbing Yu 2002,Bouafia2007).Perolainterpretacindelosresultadosobtenidos medianteesteensayoescompleja,debidoalafaltadecontrolsobrelas variables que intervienen en el problema, por tratarse de un ensayo de campo (aleatoriedad,perturbacionesdelmedioenelmuestreo,alteracionesenel medio,cambioenlascondicionesambientales,reducidovolumendelmacizo ensayado, etc). Al punto (b), se le puede dar respuesta a travs de la aplicacin de tcnicas numricascomoeldiseobasadoennivelesdeconfiabilidad.Diferentes autoreshancuantificadolaeficienciadedistintossistemasmedianteestas metodologas de anlisis (Matsuo y Kuroda 1974, Haldar Tang 1979, Baecher etal.1980,Ellingwoodetal.1980,Whitman1984,Chowdhury1984,Harr 1987,CraggyKrishnasamy1987,Barkeretal.1991,Popescuetal.1997, KulhawyyPhoon2002,FrantziskonisyBreysse2003,Phoon2004).El problema reside, en que este tipo de aproximacin an no ha sido empleada para el estudio de pilotes sometidos a esfuerzos horizontales.Los puntos (a) y (b), requieren el estudio de las propiedades fsico-mecnicas delsueloendireccinhorizontal,eldesarrollodeunametodologa experimentalparasucaracterizacin,lacalibracindemodelosde comportamiento,eldesarrollodelascurvasdetransferenciadecargapara sueloslossicosendireccinhorizontal,unametodologadeclculopara pilotescargadolateralmenteylaimplementacindelatcnicadediseo basado en niveles de confiabilidad.61.2 Objetivos generales y especficos del trabajoElobjetivogeneraldeltrabajoconsisteenanalizaryestimarel comportamientodepilotessometidosacargaslateralesinstaladosensuelos lossicos.Larespuestadeestructurasinstaladasenmediosporoso,poseen comportamientosaltamentedependientedellainteraccinsuelo-estructura. Paraestudiarycomprenderelcomportamientodelloessendireccin horizontal se plantean los siguientes objetivos especficos: x Analizar la variabilidad de las propiedades fsico/mecnicasx Identificar los aspectos que controlan el comportamiento mecnico x Establecer el nivel de anisotropa direccional del suelo lossico x Caracterizar el comportamiento en direccin horizontal Para llevar a cabo el estudio de la respuesta del suelo en direccin horizontal antelaaplicacindepresinserequieredeunensayo,concapacidadde aplicarsolicitacioneshorizontalesyquepermitasimultneamenteelregistro de las deformaciones. Para esto se plantea el siguiente objetivo especfico:x Desarrollarunexperimentodelaboratorioquepermitaaplicary registrar, presiones y deformaciones horizontales, con control en la muestra de suelo del contenido de humedad y la presin vertical. 7Para comprender las caractersticas de la respuesta y efecto que provocan los parmetros del suelo en el ensayo desarrollado (minipresimetro), se define el siguiente objetivo particular: x Implementarsimulacionescomputacionalesdelexperimento desarrolladoyestudiarlarespuestadelsistemacuantificandola variabilidad inherente del suelo.Finalmente,parasimularlarespuestadepilotessometidosasolicitaciones laterales instalados en loess, se plantean los siguientes objetivos especficos:x Modificaralgnmtododeclculoexistenteparaquepuedaser aplicado a suelos lossicos. x Aplicareldiseobasadoennivelesdeconfiabilidadapilotes sometidos a cargas horizontales. x Establecer curvas de transferencia de carga horizontal para suelos lossicos (curvas p-y).Para llevar a cabo todos los objetivos enunciados, se realiza una recopilacin de parmetros determinados en estudios de campo y laboratorio, relacionadas coneldiseodefundacionesprofundas.Serevisalabibliografaregionalyestudios de suelos, empleando la informacin publicada en el mapa de suelos delaciudaddeCrdoba(RoccayQuintanaCrespo1997,DahbaryVerra 2006). Se realizan ensayos de laboratorio tpicos para corroborar y/o ampliar la informacin recopilada. Con los datos categorizados y ordenados, se realiza unestudioprobabilsticoparacadaunadelaspropiedadesdelsuelo relevantes para el diseo de pilotes sometidos a cargas laterales. Con esto se 8obtienen,losparmetrosprobabilsticos(valoresesperados,mximos, mnimos, desviacin estndar, coeficiente de variacin, etc.) Enelclculodepilotessometidosaesfuerzoshorizontalesesnecesario conocerelmdulodedeformacindelsueloendireccinhorizontal,paralo cualsehadesarrolladoundispositivodeensayoexperimentalbasadoenla teora de expansin de cavidades. Los parmetros del suelo y su variabilidad inherente, es analizada mediante mtodos numricos empleando la tcnica de los elementos finitos junto a simulaciones computacionales para las soluciones analticas del problema. Se cuantifica el efecto de la presin de confinamiento, de la presin de sobreconsolidacin, la variacin del contenido de humedad y lainfluenciadeincrustacionesnodularesotosquillasenlamatrizdesuelo (estructuracin).Apartirdelosresultadosobtenidos,seestableceunprocedimientoparala construccin de curvas p-y en suelos lossicos.Paralaprediccindelcomportamientodepilotesbajocargaslateralesse modifica un mtodo basado en la viga sobre fundacin elstica y se comparan losresultadosobtenidosmedianteelprocedimientopropuestoconensayosa granescalarealizadoslocalmente.Conlacaracterizacinprobabilsticadel suelo se implementa el diseo basado en confiabilidad para el caso de pilotes sometidosasolicitacioneslateralesinstaladosensueloslossicos.Los resultados del anlisis se presentan los anexos. 1.3 Organizacin de la tesis LaFigura1.1presentaelesquemaconceptualdelaorganizacindeeste trabajo.Apartirdelplanteodelproblema,seestablecelanecesidadde revisar el comportamiento de los suelos lossicos, la utilizacin de la teora de expansindecavidadesparacaracterizarelcomportamientodelsueloen direccinhorizontalyfinalmentelosmtodosempleadosusualmenteparael clculo de los pilotes bajo solicitacin lateral.Apartirdelmaterialempleadoenesteestudioylosmtodosde caracterizacin,seanalizaelcomportamientoendireccinhorizontaldelos 9loess. Se emplean simulaciones computacionales del experimento desarrollado (minipresimetro)ysecalculanlasdeflexionesyesfuerzosinternosdelde pilotesapartirdelosresultadosobtenidosdelensayodesarrolladoeneste trabajo.EnbaseenlaorganizacinpresentadaenlaFigura1.1,enelCaptulo2se revisaelestadoactualdeconocimientossobrelacomposicin,estructuray comportamiento mecnico del loess, como as tambin la variabilidad de sus propiedades. Se analizan los modos de caracterizar parmetros de suelo para predecirelcomportamientodeestructurasfundadasenloess.Dela bibliografasehanrecopiladolosdatosquepermitenefectuaranlisisde sensibilidad y variabilidad espacial que permite establecer los coeficientes de variacin,valoresmediosydesviacionesestndardelosparmetrosfsico-mecnicosdeloslimosdeorigenelicodelcentrodelpas.Seponeen evidencialaausenciaderesultadosexperimentalesdelcomportamientoen direccin horizontal, y cuantificaciones sobre el nivel de anisotropa del loess. Planteo del problemaMateriales y mtodosConclusionesComportamientode suelos lossicosExpansindecavidadesPilotes bajo cargaslateralesComportamiento en direccin horizontal de suelos lossicosEstudio numrico del ensayo minipresiomtricoPilotes instalados en loess bajo cargas lateralesDesarrolloPlanteo del problemaMateriales y mtodosConclusionesComportamientode suelos lossicosComportamientode suelos lossicosExpansindecavidadesExpansindecavidadesPilotes bajo cargaslateralesPilotes bajo cargaslateralesComportamiento en direccin horizontal de suelos lossicosComportamiento en direccin horizontal de suelos lossicosEstudio numrico del ensayo minipresiomtricoEstudio numrico del ensayo minipresiomtricoPilotes instalados en loess bajo cargas lateralesPilotes instalados en loess bajo cargas lateralesDesarrolloFigura 1.1: Esquema de organizacin del trabajo 10En el Capitulo 3 se presentan los antecedentes sobre la teora de expansin de cavidades y los conceptos tericos de su formulacin. El desarrollo algebraico sehaincorporadoalosanexos.Semuestralaaplicacindestateoraala ingenierageotcnicaenelanlisisdeensayospresiomtricosyfundaciones profundas sometidas a cargas laterales. Se indican los escasos antecedentes de estudios realizados en loess. En el Captulo 4 se efecta una revisin de conocimientos sobre los aspectosrelevantes a considerar en el clculo de pilotessometidos a solicitaciones laterales con cabezal libre, a partir de los criterios de resistencia y de deformabilidad. Se muestranlosmtodosempleadosenestratoshomogneosorientados fundamentalmente a suelos cohesivos y granulares.EnelCaptulo5sepresentanlasprincipalescaractersticasdelossuelos lossicosempleadosenestetrabajo.Seanalizanprobabilsticamentelos parmetrosendicesempleadosenlacaracterizacindecomportamiento tenso-deformacional de la masa del suelo. Se presentan y desarrollan las bases paraunexperimentodelaboratoriobasadoenexpansindecavidadesque puedeserempleadoparaestudiarelcomportamientodelsueloendireccin horizontal. Para realizar el ensayo se describen las secciones constitutivas del dispositivo y se detalla el procedimiento de manipulacin propuesto.EnelCaptulo6seestudiaelcomportamientoendireccinhorizontaldel loess mediante ensayos de rutina tipo edomtrico y con el minipresimetro. Se establece la relacin entre deformacin vertical y horizontal para caracterizar laanisotropadelmantodesuelo.Laestructuracindelloessseestudia medianteelensayominipresiomtricocontemplandolasobreconsolidacin, controlando el grado de saturacin sobre muestras inalteradas, remoldeadas y con incrustaciones nodulares.EnelCaptulo7seanalizalainfluenciadelaaleatoriedadenel comportamiento de suelos lossicos del Centro de Argentina. Se implementan modelosnumricosenelementosfinitosdesueloshomogneos,ycon propiedades asignadas empleando campos aleatorios. Se analiza el ensayo de expansindecavidadconelpropsitodecuantificarlainfluenciadelas variablesconsideradasenlosresultadosobtenidosduranteesteensayo 11numrico.Secomparayanalizalarelevanciadeconsideraraunmedio heterogneocomounmedioefectivohomogneocomparandolosresultados numricos con los experimentales.EnelCaptulo8seestablecelaaplicabilidaddedosmtodosdeclculo empleadosusualmenteenlaprcticaingenieril,paraestimarel comportamientodepilotessometidosasolicitacioneslateralesenloess.A partir de los resultados obtenidos se propone una alternativa de solucin a las divergencias halladas entre modelo y los resultados experimentales.Se plantea un procedimiento de calibracin inverso para establecer las curvas p-yempleandoelmtododeelementosfinitos,conlocualseproponeun mtodosimplificadodeanlisisparaobtenerlasdeflexionesyesfuerzosen pilotes instalados en limos-arcillosos.Apartirdelosensayosminipresiomtricospresentadosydescriptosenel Captulo5,seestableceunaanalogaentrelaexpansindecavidadesyla deflexin de un pilote. Se desarrolla una metodologa para la construccin de curvas p-y en suelos lossicos contemplando su variacin con el contenido de humedad y la profundidad. Finalmente se implementan computacionalmente losmtodosyprocedimientospropuestosenesteCaptuloparasu contrastacinconresultadosexperimentalesagranescala.Sepresentandos situacionesdeestudioparadestacarlaflexibilidadypotencialdela herramientadediseodesarrolladaenestaTesisparaelanlisisde humedecimientoslocalizadosdelperfildesuelosysuinfluenciaenel comportamientodepilotesbajosolicitacioneslateralesinstaladosensuelo lossicos.En el Captulo 9 se resumen las principales conclusiones de este estudio y se sugieren algunos tpicos para futuras investigaciones.12Captulo 2 Comportamiento tenso-deformacional de los suelos lossicos Estado del conocimiento 2.1 Introduccin Los suelos lossicos se hallan distribuidos en una gran superficie del planeta y prcticamenteentodosloscontinentes,suscaractersticasdependendela edafognesisyengeneralseencuentranenclimasridososemiridos.En Sudamricasehallanprincipalmenteconcentradosenlazonacentralde ArgentinaencorrespondenciaconlaprovinciadeCrdoba,aloestedelas Sierras Pampeanas originadas durante el plegamiento de la Cordillera de los Andes, cordn montaoso que define las principales reas morfolgicas de la regingobernandolaubicacindelosprincipalesdepsitosdeloess.La morfologadeestosloesscuaternarios,essimilaralosdelrestodelmundo, sedimentados en estratos con espesores que varan entre 20 y 60 metros. La gnesis de estos depsitos justifica sus comportamientos mecnicos, altamente dependientes de las condiciones externas, caracterizados por su inestabilidad frentealhumedecimientoy/ocambiosenelestadotensional.Eneste Captuloserevisalacomposicinyestructuradelloess,elcomportamiento mecnicoylavariabilidaddesuspropiedades.Delabibliografasehan recopiladolosdatosquepermitenefectuaranlisisdesensibilidady variabilidad espacial que permite establecer los coeficientes de variacin para cada una de las propiedades investigadas.132.2 Composicin y estructura de los loess argentinos 2.2.1 Consideraciones generales Laactividadvolcnica,durantelaeraterciariaycuaternaria,haprovocado grandesdepsitosdematerialpiroclsticoyeslaresponsabledelas caractersticasgeneralesdelosloess(Bloom1992).Losmineralesquelos componen, provienen tanto de la erosin de las Sierras de Crdoba, como de mineralesdeorigenvolcnico,principalmenteandesitayrocasbaslticas, abundandolasplagioclasasyenmenormedidacuarzo(Iriondo1990).La estructura de las capas superiores en estos suelos, es propia de la deposicin elica(sistemaelicopampeano),ysusedimentacinnohasidocontinua. Losespesorespromediosvandesde25ma60m,concapasquetienen espesoresmenoresa2m,pudiendoreconocerseporlomenosdiezdeellas (Teruggi y Imbellone 1992). Las partculas transportadas por el viento fueron atrapadas por la vegetacin de manera que en numerosos ciclos se formaron loscanalculoscaractersticosdeestossuelosdecoloracinmarrn. Numerososinvestigadores,entreellosFrenguelli(1955),Polanski(1963), Sayago(1995),IriondoyKrhling(1997),PanarioyGutirrez(1999)han localizadoyclasificadodiferentesdepsitossedimentarios,evolucinqueha sido reportada por Zarate (2003).2.2.2 Evolucin y composicin del loess Laimportanciadelconocimientodelasetapasevolutivasdelascapasdel loess,resideenlarelacinqueexisteentrelaestabilidadylosciclosde humedad correspondientes a los paleo-climas a los que ha sido sometido.La estructura del loess producto de su gnesis justifica la macroporosidad y el bajopesounitarioseco,aunquenosehaencontradoenlabibliografa evidencia clara de lospuentes que conectan las partculas de mayor tamao, comoseobservaenotrosdepsitosdeloess.Losloessargentinosposeen mineralesdeorigenvolcnico,feldespatos,cuarzo,montmorillonitaeillita (Teruggi, 1957). Se distinguen fracciones dearena, limo, arcilla. La primera compuestaporplagioclasas,cuarzo,ortoclasas,cristalesvolcnicos, 14labradorita,feldespatosalterados,fragmentosderocasvolcnicasypalos orgnicos. La fraccin de limo difiere de la fraccin de arena principalmente en la angulosidad de las partculas, y el incremento en la proporcin de vidrio volcnico.Lafraccindearcillasecomponeprincipalmentede montmorillonita(silicatohidratadonaturaldealuminioconxido magnsico),illita(mineraldearcillapotsicadeestructuramiccea)y pequeascantidadesdecuarzoyfeldespatos.Lapresenciadeestos componentes son los responsables del comportamiento mecnico caracterstico del suelo lossico.EnlaTabla2.1sepresentalosporcentajesdecadacomponenteparacada unadelasfracciones.Lacomposicinqumica,eslaresponsabledelas caractersticasdeestabilidaddelaestructuradelsuelo(Tabla2.2).La presenciadecarbonatosclcicosahumedadnatural,ylainteraccinconel agua, la presencia de xidos de hierro y yesos dominan los aspectos relevantes para la actividad ingenieril. Un anlisis exhaustivo sobre la influencia de los componentesqumicosenelcomportamientodelsuelocontemplandola fraccin puzolnica fue realizada por Quintana Crespo (2005). Algunos investigadores, sostienen que la presencia de arcillas y otros agentes cementantes,vinculanlospuntosdecontactoentrepartculasdemayor tamao (Rocca 1985, Rinaldi et al. 2001). La macro-porosidad, se atribuye a los vacos generados por las races vegetales degradadas durante el proceso de formacin (Mitchell 1993).Rinaldi et al. (2007) sealan que la cementacin en suelos lossicos puede ser desdeligera,verificadoensuelosjvenes,hastamuydesarrolladacomoen suelosdeclimassemiridosdondeabundanloscarbonatos.Unefectoque provoca la cementacin es la marcada existencia de una tensin de fluencia, a partir de la cual las deformaciones plsticas gobiernan el comportamiento. Los autores sealan que los vnculos cementantes presentan comportamiento elstico y frgil. Tambin identifican que no se ha podido establecer cual es la causadominanteendeformacinentrelacementacinyelniveldesuccin debido a que ambos provocan efectos similares.15Tabla 2.1: Componentes en loess pampeano (Modificado de Teruggi, 1957) FraccinConstituyentesEntornoValores mediosCOV(%)* Plagioclasas65,0 - 20,033,068 Labradorita Oligoclasa Andesita 1,0 10,06,025 Cuarzo2.0 30.020,023 Vidrios volcnicos1,0 25,015,026 Partculas volcnicas 1,0 25,014,028 palos orgnicos1,0 5,03,022 ArenaMinerales pesados0,7 1,51,211 Gruesa de limoVidrios volcnicos15,0 60,035 21,4 Vidrios volcnicos> 60,0------ Media de limos Montmorillonita> 20,0------ Fina de limos Vidrios volcnicos-Montmorillonita> 75,0------ Montmorillonita90 9592,50,9 Vidrios volcnicos< 10------ Cuarzo< 10------- Feldespato< 10------ Illita< 10------ ArcillaKaolinita< 10------ *Nota: los coeficientes de variacin (COV) se establecen como la relacin entre la desviacin estndar y la media de una funcin de distribucin de probabilidad gaussiana16Tabla2.2:Valoresestadsticosdelacomposicinqumicadelloessargentino. (Modificado de Teruggi, 1957) Comp.Mn. (%)Mx. (%)Media (%)Desv. EstandarCOV(%)* SiO257,1671,7064,432,423,76 Al2O212,0017,7214,860,956,42 TiO20,651,10,8750,088,57 Fe2O23,116,704,9050,6012,20 CaO1,654,002,8250,3913,86 MgO1,001,901,450,1510,34 K2O1,562,311,9350,136,46 Na2O1,43,12,250,2812,59 H200,508,354,4251,3129,57 *Nota: los coeficientes de variacin (COV) se establecen como la relacin entre la desviacin estndar y la media de una funcin de distribucin de probabilidad gaussiana2.3 Comportamiento mecnico del loess 2.3.1 Inestabilidad de la masa de suelo El comportamiento mecnicode los suelos, esta gobernado por su estructura einteraccinentresuscomponentes(materiaslida,vacosyfluido). Usualmenteselosclasificacomoestablesoinestablesentendiendopor materialesestablesaaquelloscuyocomportamientoestaasociadoasus propiedades intrnsecas y factores mecnicos, mientras que la inestabilidad se atribuye a comportamientos emergentes producto de la presencia de factores externosalamasadesuelo.EnlaTabla2.3,sehanreportadodiferentes tipos de suelo con la inestabilidad que los caracteriza. Ensueloscomolimosarenososolimosarcillosostipolossicos,la inestabilidadseatribuyealadisminucinrpidadevolumen(Jenningsy Knight1957),producidaporelaumentoaisladoocombinadodelcontenido dehumedad(Z),gradodesaturacin(Sr),tensinmediaactuante(V), 17tensindecorte(W ),oporelaumentoenlapresindeporos(u)(Zury Wiseman, 1973).Lascausasqueprovocanladisminucindelgradodesaturacinenelsuelo son diversas, entre ellas se pueden enunciar a la evaporacin de la superficie ensuelosdescubierto,evapo-transpiracinderbolesyplantasodesecacin por la transmisin de energa en forma de calor (Fredlund y Rahardjo 1993), por el contrario el humedecimiento puede producirse por inundacin local del suelo por precipitaciones, filtraciones de agua producto de roturas de caeras deconduccin(Redolfi1993),ascensodelnivelfretico,modificacionesdel rgimen de evaporacin superficial o irrigacin en terrenos cercanos. A los fines ingenieriles, resulta de inters conocer la potencialidad de colapso y las magnitudes que puede adoptar. A macro-escala, y a niveles de presin moderadamentebaja(10kPa)elcomportamientodelsueloaparentauna situacin contradictoria en el principio de tensiones efectivas, debido a que el aumentodelcontenidodehumedad,produciraunadisminucindelas presiones efectivas, y en consecuencia debera producirse una expansin. Por el contrario, se produce una disminucin significativa en la relacin de vaco del suelo, fenmeno que puede ser explicado a travs de la mecnica de suelos no saturados (Bishop 1960, Alonso y Lloret 1982, Fredlund y Rahardjo 1993, Mitchell 1993, Lu y Likos 2004).Lascondicionesparaqueladisminucinrepentinadevolumentengalugar, requiere de tres condiciones (a) Estructura abierta parcialmente saturada, (b) unaprofundidadtalquelastensionesproduzcanunaestructuradesuelo meta-establey(c)fuerzasdebidoalcementanteentrepartculasque estabilicelafabricacuandoestasecaoahumedadnatural(Mitchell1976, Collins 1978).Estascondicionespermitencomprenderelfenmenoamicro-escala caracterizadoporelingresodeaguaenlamasadesuelo,debilitamientode los puentes cementante entre partculas correspondientes a la fraccin gruesa yfallaenelcontactoporexcesodetensionesdecorte.Enconsecuenciael lquido que ingresa a la masa de suelo posee influencia en la magnitud de los 18asentamientos,debidoalainteraccinqumicadellquidosaturanteyla fraccin arcillosa (Reginatto 1971).Tabla 2.3: Tipos de inestabilidad (Aitchison 1973, Oldecop y Alonso 2004, Schnaid et al. 2004)Tipo de suelosCaractersticas generalesTipo de inestabilidad RocasEmpleadas como escollerasColapso por humedecimiento Arenas(1)Sueltas, saturadas, sin cementar.Licuefaccin ante excitacin dinmica.ArenasResiduales arenosos sin saturar. Alta porosidad (luego de intensa lixiviacin, seguido de desecacin). Colapso por humedecimiento. ArenasElicas, sin saturar, ligeramente cementadas con alta porosidad. Climas ridos. Colapso por humedecimiento. ArenasAlto ndice de huecos y cementacin soluble en agua (calcrea). Colapso por humedecimiento. ArenasAlto ndice de huecos, sin saturar, con uniones intergranulares asociadas a arcillas potencialmente dispersivas (normalmente altamente sdicas). Susceptibles de colapso, de licuefaccin o de erosin interna luego de la percolacin de un electrolito dispersivo. Limos y loess(2)Limos saturados. Hinchamiento por congelacin. LoessCon baja cementacin, sin saturar. Colapso por humedecimiento. Arcillas y limos elicosSin saturar. Expansin o colapso por humedecimientoArcillasDensas, altamente reactivas.Expansin y retraccin por humedecimiento. Variacin volumtrica por variacin del espesor de la doble capa difusa ArcillasMal compactadas.Erosin interna tubificada. ArcillasSensitivas blandas, saturadas.Licuacin en fallas localizadas.(1) El alto ndice de vacos no es condicin suficiente para la inestabilidad estructural, caracterizada por la resistencia del cementante intergranular. (2) No siempre manifiestan inestabilidad estructural bajo cargas de servicio.192.3.2 Interaccin entre partculasLa evaluacin de la magnitud del asiento se realiza mediante el estudio de la trayectoria de tensiones que sufre el suelo a lo largo de su historia. Ante un incrementodecarga,ladeformacin varaenrelacinalahistoriade tensiones, si el mismo es saturado con sobrecargas nulas, se produce la fase de compactacin primaria debida a la disminucin del volumen de los poros, sin rotura de los enlaces estructurales. Un incremento en las presiones efectivas, puedeproducirladestruccindelosenlacesestructurales,presentndose comoconsecuenciaunmarcadoincrementodelasdeformaciones.Eneste contexto,lasdeformacionesporcorteseincrementanyelsuelofluye progresivamente.Unestratodesuelocolapsable,anteunaumentodehumedadenestado natural de tensiones, puede sufrir asentamientos en la superficie, producto de la disminucin de volumen del estrato humedecido, donde la presin causada por el peso propio del suelo que se encuentra por encima de l, es igual a la presin inicial necesaria para la produccin del colapso. Cuando la superficie se encuentra sometida a cargas exteriores, la inundacin gradual y prolongada del suelo incrementa la probabilidad de disminucin rpida de volumen.Elcolapsolocalizado,produceasentamientosdiferencialesenlasestructuras decimentacin,locualprovocausualmenteagrietamientosverticales.Este fenmenousualmenteestaligadoalainteraccinentrelaspartculasque componen la matriz de suelo, la cual generalmente se componen por mezclas degranosdiferentestamaos.Usualmentelosmaterialescolapsablesestn formados por partculas enlazadas por limos y materiales arcillosos.Diferentesinvestigadoreshanplanteadomodelosconceptualesdelaestructuradelsuelo,susceptibleasufrircolapso.Laspartculasdegran tamaoseasocianacomportamientosmicroscpicogobernadosporfuerzas gravitatoriasmientrasquepartculasdeltamaodearcillaseasociana comportamientosgobernadosporfuerzasmolecularesdeosmosisovander Waals.Paratamaosdepartculadelimo,normalmenteseasumequelas fuerzas capilares dominan la respuesta de la matriz de suelo.20Lacombinacindeestosmaterialesproduceadicindelosfenmenos gobernantesparacadaunadelasfraccionesenelcomportamientoglobal. Cuando los granos de arena se encuentran rodeados de material arcilloso, la historiadetensionesdelsuelodefineelcomportamientomacroscpico.Bajo condicionesdesecado,estetipodeestructurasaligualquecombinaciones estructurales con limos, generalmente poseen una resistencia considerable. La adicindeaguaprovocalaseparacindelaspartculasdearcilla, produciendo una prdida de resistencia. Jennings y Knight (1957) observaron quelaspartculasdearcillaseagrupanalrededordeloscontactosenun ordenamientopocasvecesfloculado.Rinaldietal.(2001),hanobservadola estructuracindelsuelolossicosmediantemicroscopioelectrnicoyhan propuestounaestructuraformadapormacroporosvinculadosporpartculas dearcilla,limoyarena.LaFigura2.1,presentalasrepresentaciones conceptuales de estas estructuras. (a)(b) (c)(d)Figura 2.1: Esquemas estructurales conceptuales de suelos (a) Arena hmeda (Dudley, 1970). (b) Arena con vnculos de limo (Dudley, 1970). (c) Arena con partculas de arcilla. (d) Limo arenoso (Rinaldi et al. 2001). 21Lossueloslossicos,presentanelevadarigidezcuandoseencuentraabajos contenidos de humedad, este fenmeno se atribuye usualmente a las elevadas fuerzasderozamientodesarrolladasporloscontactosentrepartculasdela fraccindearenaylimo.Laexistenciadefuerzasmolecularesyde cementacin entre partculas se incrementan con el tiempo debido a la matriz arcillosa,dondeseproducelarecristalizacindesalesyendurecimientode geles de slice, formando estructuras floculentas. Incluso losaltos valores de succinenzonasridasosemiridascontribuyenamantenerunafriccin entrepartculasydeesamanera,seformaunaestructuraflojapero resistente.El incremento en el grado de saturacin provoca un aumento del radio de los meniscos de agua entre partculas y una disminucin de la concentracin de iones, lo que produce un incremento de las fuerzas de repulsin, aumentando ladispersinentrepartculasdearcilla.Estogeneraestructurasmas dispersas, las cuales poseen menor resistencia al corte que las estructuras de suelofloculadas(Seedetal.1960).Lafraccindearenaporsupartesufre unadisminucindelatensincapilarinter-partculaqueproducela compresin entre granos y su consecuente resistencia al corte.2.3.3 Valoracin del colapso Diversos investigadores han intentado caracterizar el suelo colapsable a partir deparmetrosfsicosdesuelos,talescomopesounitario,lmitesde consistencia,granulometrayensayosdeinundacinentreotros(Denisov 1951, Gibbs y Bara 1967), que permitan establecer fcilmente la magnitud del colapso. Lamentablemente, los resultados obtenidos por estos procedimientos nosonaplicablesatodosloslimosdeorigenelico,talcomoloindicara Redolfi(1993),yaqueelcomportamientoencolapsabilidaddependedela edafognesis del estrato de suelo analizado.Lanecesidaddeestablecerladisminucindevolumenenlamasadesuelo mediante procedimientos sencillos, ha llevado a numerosos autores a disear metodologasbasadasenpruebasedomtricasqueestablecennivelesde colapsoenespaciosdiscretos,paraluegoextrapolarlasdeformaciones 22unitarias al estrato de suelos colapsable (Jenning yKnight 1957, Feda 1967, Bally etal.1973,Milovic1981,LinyLiang1982,LinyWang1988,Feda 1988,ASTM1993).Algunasdivergenciasenlosresultadosobtenidospor estos procedimientos experimentales han sido atribuidas a la zonificacin del humedecimientoencampoyenconsecuenciaalgunosinvestigadoreshan sugerido que debe considerarse el volumen de suelo humedecido durante este tipo de estimaciones (Lin y Liang 1982). Sinembargo,elfenmenodecolapsopuedeevaluarsemediantecualquier ensayoqueapliquecargabajocondicionesdehumedadcontrolada.Ejemplo de estos ensayos se presentan en laFigura 2.2 y corresponden a los ensayos edomtricos,presiomtricosodeplatodecarga(Schnaidetal.2004),entre otros.Ensayo edomtricoEnsayo presiomtricoEnsayo con plato de cargaCampo de tensin desconocidoDimetro constanteAltura constanterf riViVv'HVvHfHiEnsayo edomtricoEnsayo presiomtricoEnsayo con plato de cargaCampo de tensin desconocidoDimetro constanteAltura constanterf riViVv'HVvHfHiHiHiFigura 2.2: Condiciones de borde para diferentes ensayos de colapsabilidad (Schnaid et al. 2004) AyadatyHanna(2007)realizanunestudioexperimental,dondeestablecen cualitativamenteycuantitativamenteelcolapsodelsuelomediantelacada deconoenlaboratoriosobremuestrasdesuelotalladasenunmolde edomtrico.Losautoresmuestranqueesposibleobtenerelpotencialde colapso mediante la ecuacin: 2lim1PCP a LnP 1 = +

( )(2.1) 23Donde, CP=potencialdecolapso,a2=parmetrogeomtrico,P= penetracindelcono,Plim=penetracinlmitedelcono.Elcoeficientea2puede establecerse mediante las expresiones: 2 lim2 lim2 lim0, 04 6 ( 2, 5)7 (2, 5 4, 5)33 ( 4, 5)2ua c Pa Pa PMMM= = + _= + < _= + >(2.2) Donde,O = es un coeficiente que puede establecerse con la primer expresin de las ecuaciones (2.2). Enlosensayosdeplatodecargaefectuadosenloess,seobservanbruscos descensos al saturarse el suelo con valores de asiento 10 a 20 veces mayor al que corresponde en condiciones de humedad natural (Nuez et al. 1970). La desventaja de este tipo de procedimientos reside en la dificultad de extrapolar losresultadosaprototiposdefundaciones,paralaestimacinde asentamientos por la incertidumbre en la masa de suelo involucrada (Houston y Houston 1997). Laestructuramacroporosaposeeunarelacinentretensinydeformacin, gobernadaporlosesfuerzosqueseproducenentrelosvnculosypuntosde contactoentrepartculas.Cuandolastensionessuperanlaresistenciadelos vnculos,seproduceeldesmoronamientodelaestructuradelsuelo,dando comoresultadounatotalmentedistintaymejoradaencuantoasu estabilidad.Sisegraficaenescalasemi-logartmicalapresinyladeformacinunitaria porcentual,lacurvaedomtricapuedesermodeladacondosrectas,que caracterizan el tramo de recarga y el de carga (Figura 2.3). Se acepta que el puntodeinterseccinentreestasdosrectascorrespondeaunapresin denominadadefluencia(pf)apartirdelacualelcomportamientodelsuelo cambiasignificativamente. Otraalternativaparaelclculodelaspresiones de fluencia consiste en la utilizacin de los mtodos clsicos de la mecnica de suelostalescomoelpropuestoporCasagrande(1936).Engeneralambos 24mtodos arrojan valores similares con diferencias menores a la producida por la variabilidad inherente en las propiedades del suelo.024681010 100 1000 10000Presin vertical (kN/m)Deformacin unitaria (%)2Tramo de recargaTramo de cargaPresin de fluenciaTramo de recargaTramo de cargaPresin de fluenciaResultadosexperimentales024681010 100 1000 10000Presin vertical (kN/m)Deformacin unitaria (%)2Tramo de recargaTramo de cargaPresin de fluenciaTramo de recargaTramo de cargaPresin de fluenciaResultadosexperimentalesFigura 2.3: Componentes de la curva de compresin confinada La potencialidad al colapso del suelo, para un estado de carga definido puede establecerse, en relacin a la presin de fluencia. De este modo, se denomina suelopotencialmentecolapsablesilapresingeo-estticaesinferiorala presindefluenciayautocolapsablesiesmayorasta(Redolfi1982).La Figura 2.4 presenta las curvas que caracterizan esta clasificacin.Laideadeestablecercomparacionesentrepresionesdefluenciaypresiones geo-estticas permites definir perfiles de colapsabilidad, de gran aplicabilidad a problemas geotcnicos, donde los daos por colapso del suelo pueden muy importantes (Rocca et al. 2006). La transicin del estado autocolapsable a potencialmente colapsable no es un procesoreversibledebidoaladisminucinnetaenlosvacosluegodecada fenmeno de colapso. Alonso et al. (1987) proponen considerar a la presin de fluencia como el lmite entre el espacio de deformaciones elsticas y plsticas. 25En la fase plstica la ingeniera ha encontrado una solucin al problema del colapso colocando una sobrecarga y posterior humedecimiento. Esto provoca una disminucin de la magnitud del colapso aunque significa una tcnica de elevado costo en tiempo y recursos (Krutov y Tarasova 1964). 2,04,06,08,010,0Deformacin (%)Presin axial (kPa)Presin geoesttica (kPa)Presin de fluencia saturada (kPa)0,010 100 10002,04,06,08,010,0Deformacin (%)Presin axial (kPa)Presin geoesttica (kPa)Presin de fluencia saturada (kPa)0,010 100 1000(a)2,04,06,08,010,0Deformacin (%)Presin axial (kPa)Presin geoesttica (kPa)Presin de fluencia saturada (kPa)0,010 100 10002,04,06,08,010,0Deformacin (%)Presin axial (kPa)Presin geoesttica (kPa)Presin de fluencia saturada (kPa)0,010 100 1000(b)Figura 2.4: Caracterizacin de los estados del loess saturado. (a) Suelos potencialmente colapsables. (b) Suelos autocolapsables. (Redolfi 1982) 26Unmtodoqueseempleafrecuentementeenlaprcticageotcnicayque brinda excelentes aproximaciones para establecer la colapsabilidad a un nivel decargadefinido,sebasaenelprocedimientopropuestoporJenningsand Knight(1975)yrealizadoporRedolfi(1993),quienpresentael comportamientodedosmuestrasdeunmismoestrato,endiferentes condicionesdecargayhumedad(Figura2.5).Losresultadosfueron graficadosenunespaciodepresinydeformacinunitaria.LaFigura2.5 presenta que una probeta (A) se ensayo con humedad natural igual a 14,4%, sobre la cual se incremento la carga hasta 200 kPa (1kg/cm2=100kPa), siendo posteriormenteinundada.Lamuestra(B),seinundoaunapresinde10 kPa,sinpresentarcambiovolumtricoduranteelprocesodesaturacin.El ensayo edomtrico se continu de manera convencional hasta una presin de 200 kPa. Durante el proceso de saturacin, para la muestra (A) se produjo un cambiovolumtricoimportante,mientrasqueenlamuestra(B)nose presentaron cambios volumtricos, ni cambios aparentes en la estructura del suelo,aunquesiexistiunanotabledisminucinderesistenciaenlos vnculos entre partcula. LosresultadospresentadosenlaFigura2.5sugierenquelarelacinentre tensin y deformacin en suelos con estructura macroporosa, est gobernada por los esfuerzos que se producen en los vnculos y puntos de contactos entre partculas. Jennings y Knight 1975 establecen una valoracin cualitativa de laimportancia del colapso, como se presenta en la Tabla 2.4.x Cuandolastensionessuperanlaresistenciadelosvnculos,seproduceel desmoronamiento de la estructura del suelo. Redolfi (1993) sugiere que como resultado se tiene una nueva estructura totalmente diferente y mejorada. En general,lacaracterizacindelsueloseefectaconsiderandolavariacindel estado de tensiones dentro de la masa, como funcin de las fuerzas externas aplicadas.Enestesentido,Rocca(2002)presentaunacomparacinentrelaspresiones defluenciademuestrasconcontenidodehumedadnaturalylapresin inducidaporedificiosdetresplantasenelmantodefundacin.Los resultadosmuestranquelaspresionesdefluenciaenestadodehumedad 27natural, son superiores a las presiones desarrolladas bajo la cota de implante delafundacin.Enconsecuenciarecomiendanoemplearlapresinde fluenciaahumedadnaturalparacuantificarlacapacidaddelsuelolossico (Figura 2.6). Presiones axiales (kPa)Deformaciones unitarias (%)10 100 100002468AB10000Presiones axiales (kPa)Deformaciones unitarias (%)10 100 100002468AB10000Figura 2.5: Ensayo edomtrico sobre limo lossico, (A) muestra a humedad natural con posterior saturacin, (B) muestra saturada (Redolfi, 1993) Tabla 2.4: Severidad de la potencialidad del colapso Potencial de colapsoSeveridad del problema 0 - 1sin problema 1 - 5problemas moderados 5 - 10problemtico 10 - 20problemas severos > 20problemas muy severos En cuanto a los ensayos del tipo presiomtrico, los primeros antecedentes en lamodelacindelcomportamientodesuelonosaturado,queevalanel colapso,hansidopresentadosporSchnaidetal.(2004).Estosautores plantean el problema a partir del modelo Cam Clay, y superficies de estado 28que contemplan la succin como funcin de las tensiones. A partir de ello, las modelaciones que emplean parmetros obtenidos con el presimetro muestran pequeas diferencias respecto a los que han sido parametrizados con ensayos edomtricos. Esta situacin puede deberse a que en la direccin horizontal el comportamiento no es igual al vertical y que la masa de suelo involucrada es diferente.LaFigura2.7,presentalacurvatipodepresinexpansin, mostrando el colapso del suelo a una presin de 350 kPa. Profundidad (m)Presiones (kPa)0 2 4 6 8 10 1202004006008001000Carga externaPresin geoestticaPresin de fluencia a HNProfundidad (m)Presiones (kPa)0 2 4 6 8 10 1202004006008001000Carga externaPresin geoestticaPresin de fluencia a HN Presin de fluencia a HNFigura 2.6: Comparacin entre presin de fluencia a humedad natural y la presin por solicitacin externa en implante de fundacin (Rocca 2002) Finalmente, el empleo del ensayo de penetracin estndar para caracterizar la magnituddelcolapsonoesdeltodoaceptadoporalgunosinvestigadores (Nez 1970, Reginatto 1971, Rocca 2006) debido a que existe influencia del grado de saturacin y cementacin que no pueden ser cuantificados mediante esteprocedimiento.Sinembargo,esposibleobtenerentornosde comportamiento, lo que permite establecer la magnitud mxima probable de colapso.Enestesentido,Francisca(2007)proponeunaexpresinque relacionaelnmerodegolpesdelensayodepenetracinestndar(N)yel mximo coeficiente de colapsabilidad (Gr=Hhn-Hsat) mediante la expresin (2.3): 0,130Nre G G= (2.3) 29Donde Hhn = deformacin unitaria a humedad natural en el ensayo edomtrico para 100 kPa y Hsat = deformacin unitaria saturado en el ensayo edomtrico para100kPayG0=12%.ElcoeficienteG0,puedeestablecerseparaotros niveles de tensin de referencia.1,30Ensayo presiomtrico de colapso colapso Presin en la cavidad (kPa)Profundidad = 2 metros0,951,001,051,101,151,201,25Relacin entre radio actual y el radio inicial (r/ro)0100200300400500600Si= 66 kPaS = 0 kPa1,30Ensayo presiomtrico de colapso colapso Presin en la cavidad (kPa)Profundidad = 2 metros0,951,001,051,101,151,201,25Relacin entre radio actual y el radio inicial (r/ro)0100200300400500600Si= 66 kPaS = 0 kPaFigura 2.7: Ensayo presiomtrico para evaluacin de colapso (Schnaid et al. 2004)2.3.4 Rigidez del loessLascaractersticasdecompresibilidaddelsuelosehanempleadopara establecerlamagnituddelcolapso,perotambin,puedeserempleadapara comprender la participacin de la estructura del suelo en el comportamiento tenso-deformacional.Losprimerosantecedentesenevaluarlaestructuradel suelolossicosdelcentrodeArgentinafueronpresentadosporRinaldiy Clari (1999). Estos investigadores mostraron el efecto de la alteracin de la estructura en la velocidad de ondas de cortey la deformacin en funcin de la tensin vertical (Figura 2.8).Notarqueparaunmismoniveltensionallasdeformacionessonmenoresen muestrasinalteradas,ylasvelocidadesdeondasdecortesonmenoresen 30muestreasremoldeadas.Esteefectoreflejalaestructurainicialdelsuelo,ya que las muestras se encuentran saturadas y en consecuencia a succin nula.(a)0510152025301 10 100 1000InalteradaRemoldeadaDeformacin unitaria (%)Vv[kPa] Tensin vertical(a)0510152025301 10 100 1000InalteradaRemoldeadaDeformacin unitaria (%)Vv[kPa] Tensin vertical Vv[kPa] Tensin vertical(a)0501001502002503000 100 200 300 400 500 600InalteradaRemoldeadaVv[kPa] Tensin verticalVs[m/s]Velocidad de ondas de corte0501001502002503000 100 200 300 400 500 600InalteradaRemoldeadaVv[kPa] Tensin vertical Vv[kPa] Tensin verticalVs[m/s]Velocidad de ondas de corteVs[m/s]Vs[m/s]Velocidad de ondas de corte(b)Figure 2.8: Influencia de la estructura del suelo. Peso unitario seco de 12,9kN/m3. (a) Ensayo de compresin confinada (b) Velocidad ondas de corte. (Rinaldi y Clari 1999). ElmodulodecortepermiteestablecerelmodulodeYoung,empleadoen modelosconstitutivosdesuelocomoloselasto-plsticosolosmodeloscon ablandamiento o endurecimiento. Rinaldi et al. (1998), presentan interesantes resultadosenlaevaluacindelavelocidaddeondasdecorte(vs)como funcin de la presin de confinamiento media (V0) (Figura 2.9).310200400600800100012000 50 100 150 200Presin media de confinamiento (Velocidad de ondas de corte (m/s)DH 1DH2DH3DH4Aproximacin0200400600800100012000 50 100 150 200Presin media de confinamiento (kPa)Velocidad de ondas de corte (m/s)DH 1DH2DH3DH4AproximacinDH 1DH2DH3DH4Aproximacin0200400600800100012000 50 100 150 200Presin media de confinamiento (Velocidad de ondas de corte (m/s)DH 1DH2DH3DH4AproximacinDH 1DH2DH3DH4Aproximacin0200400600800100012000 50 100 150 200Presin media de confinamiento (kPa)Velocidad de ondas de corte (m/s)DH 1DH2DH3DH4AproximacinDH 1DH2DH3DH4AproximacinFigura 2.9: Relacin entre presin media de confinamiento y la velocidad de ondas de corte (Rinaldi et al. 1998) Losautoresproponenrelacionesentreelnmerodegolpesdelensayode penetracinestndar,ylaspresionesmediasdeconfinamientoylas velocidades de ondas de corte, resultando: ,350170 500sv= ( ) V + (2.4)0,234180, 6sv= N (2.5)Donde, vs se mide en metros por segundo y N= nmero de golpes del ensayo de penetracin estndar. Atravsdelateoradelaelasticidad,elmdulodeelasticidad(E)puede relacionarseconelmduloedomtrico(Eedom)medianteelcoeficientede Poisson (Q), resultando: ( )( )( )1 2 11edomEEX XX +=(2.6) 32Enlaprctica,resultadeintersestablecercorrelacionesentreelmodulo edomtricoyelnumerodegolpesdelensayodepenetracinestndar. Francisca(2007),muestraqueparaunmismonumerodegolpes,elmdulo edomtrico a 100 kPa (M100) es mayor en muestras con partculas nodulares queenmuestrassinestasincrustaciones.Mientrasqueparamuestras saturadas, el nmero de golpes puede relacionarse con el mdulo edomtrico a 100 kPa de la siguiente manera: 0,1100( ) 750NM kPa= e (2.7) Donde, N=nmerodegolpesdelensayodepenetracinestndaryel coeficiente750aproximaal87%delosdatosrelevados.Todoslosmdulos quedandentrodelazonadeinfluenciaalnmerodegolpessiseadoptan coeficientes de 750r250.Mediante la teora de elasticidad, tambin es posible establecer una relacin entre el mdulo de elasticidad (E) y el mdulo de corte (G), mediante: ( ) X=+ 2 1EG (2.8) Apartirdelocual,Clari(2003)mideelmdulodecorteenmuestrasde suelo a diferentes contenidos de humedad, para caracterizar la influencia de la modificacin del grado de saturacin (Figura 2.10). Ysobremuestrasinalteradas,remoldeadasysaturadas,evalalainfluencia delaestructuracinapartirdelmdulodecorteparadiferentesnivelesde presin vertical (Figura 2.11).Con la velocidad de ondas de corte (vs) y la densidad de la masa de suelo (U)obtiene la magnitud del mdulo de corte (Gmax) mediante:2max sG v U = (2.9) En la Figura 2.11, se aprecian las importantes diferencias del mdulo de corte entre, muestras inalteradas y remoldeadas a una misma humedad e idntico peso unitario seco. Estas divergencias, no pueden ser atribuidas a la succin, debido a que los ensayos fueron realizados bajo condiciones de saturacin. Los 33investigadoressostienenquelaestructuradelsuelopuedeserlaresponsable de estas diferencias de comportamiento. 050100150200250300350w% = 6.42w% = 15.88w% = 18.060 100 200 300 400 500 600 700050100150200250300350050100150200250300350w% = 6.42w% = 15.88w% = 18.060 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700Mdulo de corte mximo Gmax(Mpa)Presin vertical Vv(kPa)050100150200250300350050100150200250300350w% = 6.42w% = 15.88w% = 18.060 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700050100150200250300350050100150200250300350w% = 6.42w% = 15.88w% = 18.060 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700Mdulo de corte mximo Gmax(Mpa)Presin vertical Vv(kPa)Figura 2.10: variacin del mdulo de corte con la presin vertical para distintos niveles de humedad gravimtrica. (Clari 2003) 0501001502002503003500 100 200 300 400 500 600 700Gmax[MPa]Mdulo de corteVv[kPa]Presin verticalMuestra inalteradaMuestra remoldeada0501001502002503003500 100 200 300 400 500 600 700Gmax[MPa]Gmax[MPa]Mdulo de corteVv[kPa]Presin verticalMuestra inalteradaMuestra remoldeadaFigura 2.11: Variacin del mdulo de corte con la presin vertical, para muestras inalteradas y remoldeadas saturadas. (Clari 2003) 34En los suelos, el modulo de corte, sufre un decaimiento con el incremento de ladeformacinporcorte.Enloslimoslossicos,esteefectohasido caracterizadoporClari(2003)medianteelensayodecolumnaresonante para muestras con diferentes contenidos de humedad. El autor establece que elmodulodecortenormalizado(G/Gmax)disminuyeconelaumentodel contenido de humedad tal como lo muestra la Figura 2.12. 0,10,20,30,40,50,60,70,80,91,00,01 0,1 1 10 100J[10-4]G / GmaxMuestraMr1 (w%= 9,9)MuestraMr2 (w%= 16,9)MuestraMr3 (w%= 30,6)MuestraMr4 (w%= 46,1)Isenhower, (1979),San FranciscoBuy MudStokoe et al. (1980), San Francisco Buy MudBorden et al.,(1996), Sueloresidual (MH)Stokoe y Lodde,(1978), San FranciscoBuy MudSeede Idriss,(1970), ArenasHardin y Drnevich (1972a),Borde superior e i nferior para todos los suelos0,10,20,30,40,50,60,70,80,91,00,01 0,1 1 10 100J[10-4]G / GmaxMuestraMr1 (w%= 9,9)MuestraMr2 (w%= 16,9)MuestraMr3 (w%= 30,6)MuestraMr4 (w%= 46,1)Isenhower, (1979),San FranciscoBuy MudStokoe et al. (1980), San Francisco Buy MudBorden et al.,(1996), Sueloresidual (MH)Stokoe y Lodde,(1978), San FranciscoBuy MudSeede Idriss,(1970), ArenasHardin y Drnevich (1972a),Borde superior e i nferior para todos los suelosFigura 2.12: Relacin entre las deformaciones por corte y el modulo de corte normalizado, comparado con otros suelos (Clari 2003) 2.3.5 Resistencia al corte Losensayostriaxialessonempleadosfrecuentementeparaestablecerlos parmetros de resistencia al corte del criterio de fluencia de Mohr-Coulomb. El contenido de humedad o el grado de saturacin influye en la estimacin de estosparmetrosyhasidocaracterizadoporlamecnicadesuelosno saturados por Fredlund y Rahardjo (1993). LosresultadospresentadosenlaFigura2.13,verificanquesueloslossicos con mayor grado de saturacin presenta menor rigidez para cualquier nivel de confinamiento.RinaldiyCapdevila(2006),sugierenqueelcomportamiento delsueloposeeendurecimientoluegodelafluencia,lacualpuedeser 35establecida a partir de la interseccin de dos rectas con pendientes definidas porlostramosinicialesyfinalesdelosensayos.Losautoresevalanla fabricadelsuelo(estructuracindelloess),ensayandomuestras reconstituidas, al peso unitario natural.0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Tensin desviadora (V1-V3) (kPa)Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Tensin desviadora (V1-V3) (kPa) Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Tensin desviadora (V1-V3) (kPa)Tensin desviadora (V1-V3) (kPa)Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Tensin desviadora (V1-V3) (kPa) Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPaTensin desviadora (V1-V3) (kPa)0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPaTensin desviadora (V1-V3) (kPa)(a) (b)0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80Confinamiento 40Confinamiento 20Confinamiento 100501001502002500 2 4 6 8Confinamiento 80kPaConfinamiento 40kPaConfinamiento 20kPaConfinamiento 10kPaTensin desviadora (V1-V3) (kPa)0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80Confinamiento 40Confinamiento 20Confinamiento 100501001502002500 2 4 6 8Confinamiento 80kPaConfinamiento 40kPaConfinamiento 20kPaConfinamiento 10kPaTensin desviadora (V1-V3) (kPa)Tensin desviadora (V1-V3) (kPa)0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80Confinamiento 40Confinamiento 20Confinamiento 10Tensin desviadora (V1-V3) (kPa)0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80 kPaConfinamiento 40 kPaConfinamiento 20 kPaConfinamiento 10 kPa0501001502002500 2 4 6 8Deformacin unitaria (%)Confinamiento 80Confinamiento 40Confinamiento 20Confinamiento 10(c)(d) Figura2.13:Relacinentretensindesviadoraydeformacinunitariaen loess con peso unitartio de 12,5 kN/m3. (a) muestras inalteradas a humedad natural(b)muestrasinalteradassaturadas(c)muestrasremoldeadasa humedadnatural(d)muestrasremoldeadassaturadas.(RinaldiyCapdevila 2006)36LosresultadosqueobtienenenlaFigura2.13.RinaldiyCapdevila(2006), indicanquesepresentansimilarestendenciasalasobtenidasconmuestras inalteradascuandoseanalizaelcontenidodehumedad.Unaposible explicacin se debe a que el comportamiento del loess esta gobernado por al interrelacinentreelcontenidodehumedad,elniveldedeformacin,la presindeconfinamientoyelgradodecementacin.Asuvezel comportamientodelasmuestraremoldeadas,essimilaralquepresentan suelosnormalmenteconsolidadosyqueelesfuerzodecorteesdeterminado por las condiciones de confinamiento y de succin. En los ensayos triaxiales efectuados por Nez et al. 1970, se verifica que la resistencia al corte no drenada vara notablemente con el grado de saturacin, posiblementeporelcolapsodelaestructurainterna.EnlaFigura2.14se presentalavariacindelosparmetrosdelcriteriodefluenciadeMohr-Coulombobtenidosapartirdeensayostriaxialesnoconsolidadosno drenados,realizadosadiferentesgradosdesaturacin.Elparmetrode cohesin es el que mayor variacin posee, mientras que el ngulo de friccin (Iu) tiende a cero para valor de succin pequea.uocu(kPa)108642100806040200 0100 9080 7060Grado de saturacin (%)cuIu108642100806040200 0100 9080 7060cuIuuocu(kPa)108642100806040200 0100 9080 7060Grado de saturacin (%)cuIu108642100806040200 0100 9080 7060cuIuFigura 2.14: Variacin paramtrica en ensayos triaxiales no consolidados no drenados con el grado de saturacin. (Datos de Nez et al. 1970). 37En el caso de ensayos triaxiales drenados la bibliografa indica que el ngulo defriccinparaloslimosarcillosososcilaalrededorde28(Das1999), mientras que las mediciones locales indican variaciones alrededor de 24 bajo condiciones saturadas (Rocca et al. 2006). Reginatto (1971), indica que la estimacin indirecta de la resistencia al corte en estos suelos por medio de ensayos in situ como el de penetracin estndar, presentanlimitaciones,debidoalafuertedependenciaentreelcontenidode humedad y la presencia de ndulos o cementacin en la resistencia al corte.Rollins et al. (1988), obtuvieron que la resistencia de punta en el ensayo CPT realizado de acuerdo al procedimiento propuesto por el ASTM D-2441-86 en Nephi, UTAH-USA, es de 3000 a 5000 kPa bajo contenidos de humedad del 7% al 10 % y decrece hasta valores prximos a 1000 kPa y 2000 kPa con el humedecimiento del suelo. 2.3.6 Estimacin del comportamiento mecnico y estructura del loess Lapresenciadepartculasnodulareshasidoidentificadaporinvestigadores regionalesdurantelosltimosaos(RinaldiyClari2003,Rinaldiy Capdevilla2007,Francisca2007),yhancentradosusesfuerzosenlograr comprender su influencia en el comportamiento global del suelo bajo acciones verticales.Alaluzdeestasnociones,sehaplanteadounmodeloconceptualdela estructurasuelocomoelpresentadoenlaFigura2.15quepuedeser modelado computacionalmente por el mtodo de elementos finitos sin recurrir a la mecnica de elementos discretos a los fines de comprender las tendencias decomportamientobajodiferentescondicionesparamtricasyaleatoriedad espacial, sin recurrir a una excesiva cantidad de ensayos experimentales.Seapreciaqueamicroescalaseconservalaestructuracinpropuestapor RinaldiyClari(2003),mientrasqueamacroescalaseincorporanlas incrustacionesnodularesdemayorrigidezydiversostamaos.Una alternativaparacuantificareltamaodeestaspartculas,consisteenel empleo del procedimiento granulomtrico propuesto por Rinaldi y Capdevila (2007).38Figura 2.15: Esquema conceptual de la estructura del suelo con incrustaciones nodulares2.4 Variabilidad de las propiedades fsicas y mecnicas Laspropiedadestenso-deformacionalesdelsuelo,sondeimportanciaenel diseo y anlisis de estructuras civiles, cualquiera sea la metodologa utilizada durante la construccin. Los mtodos de clculo se basan en la utilizacin de parmetrosfsico-mecnicosdelsueloobtenidosapartirdeensayosde laboratorio,ensayosdecargainsituomediantecorrelacionesbasadasen ensayospenetromtricos.Engeneral,todoslosmtodosconsideranlos parmetros del suelo como valores determinsticos y en muy pocos casos se consideran valores probabilsticos, o la variabilidad espacial de los parmetros considerados. Las propiedades fsicas y mecnicas pueden variar ampliamente endistanciasmuycortasespecialmenteenlaszonasdeterrazas,loque conduce a importantes variaciones de los asentamientos por colapso (Rocca y Quintana Crespo 1997). Esto se debe a la variabilidad de las propiedades de lossuelosenescasosmetrosdedistancia(LambeyWithman1968,Bowles 1988,Popescuetal.,1997).Deestaforma,latendenciadeutilizarparael diseo,propiedadesmediasomnimasdelossuelosyfactoresdeseguridad estsiendoreemplazadaportcnicasdediseobasadoennivelesde 39confiabilidad (ONeill 1986, Harr 1989, Ahammed y Merches 1997, Tandjiria etal.2000,Al-HomoudyTahtamoni2000,Gutirrezetal.2002).Eneste ultimo caso, resulta de inters conocer que tan lejos se est de la falla o cual eslaprobabilidaddefalladeunaestructura.Paraello,seutilizanun conjuntodepropiedadesfsico-mecnicasparaelsueloconsiderado,enlugar de valores unvocos como los utilizados en los mtodos basados en el computo de factores de seguridad (Harr, 1987).Enausenciaoescasezdedatospararealizarunanlisisdecarcter estadstico, poseer una gua sobre los probables rangos de las propiedades del suelo o el coeficiente de variacin en anlisis de primer orden, resulta de gran utilidad.Laspropiedadesestadsticasdesuelosreportadasenlaliteratura, desafortunadamente no estn disponibles para su uso general, principalmente porque la estadstica fue determinada de un anlisis de variabilidad total que implcitamente asume una fuente de incerteza uniforme que no contempla la variabilidadinherente,loserroresdemedicinylasincertezasdela transformacin (Figura 2.16).La primera es producto del proceso geolgico que provoc la formacin de la masadesuelo,lasegundafuenteseatribuyegeneralmentealequipamiento, procedimiento, operador y efectos aleatorios en la medicin. La tercera fuente deincertezaseproducealintroducirlasmedicionesdecampoode laboratorio como parmetros de un modelo analtico, numrico o emprico. SueloMediciones In situ/laboratorioTransformacindel modeloPropiedad de suelo estimadaVariabilidad inherente al sueloDispersin de los datosIncerteza estadsticaVariabilidad inherente al sueloMediciones del errorIncertezas epistmicasSueloMediciones In situ/laboratorioTransformacindel modeloPropiedad de suelo estimadaVariabilidad inherente al sueloDispersin de los datosIncerteza estadsticaVariabilidad inherente al sueloMediciones del errorIncertezas epistmicasFigura 2.16: Estimacin de la incerteza para propiedades de suelo (Kulhawy 1992) 40A los fines de efectuar un anlisis que brinde mayor certeza en los parmetros regionales del suelo a utilizar en la etapa de diseo de obras de ingeniera, es necesario generar parmetros e ndices probabilsticos.Losparmetrosdesuelodemayorrelevanciaquedebieranformarpartede una base de datos para su utilizacin en procesos de clculo corresponden a la resistenciaalcortenodrenada(laboratorioeinsitu),ngulodefriccin interna, cohesin aparente,mdulos de elasticidad,mdulos de presimetro o dilatmetro y los ndices de caracterizacin como el contenido de humedad natural,limitelquido,limiteplstico,ndicedeplasticidad,pesounitario seco,pesounitariosaturado,pesounitarioahumedadnatural,densidad relativa, superficie especfica, relacin de vacos, etc sobre los cuales se tendr queestablecerloscoeficientesdecorrelacinentrecadaunodeellos.La Tabla2.5presentaunrelevamientodealgunosdelosparmetrosfsico-mecnicosmsimportantesdelossueloslocales.Notarquenoseha encontradoinformacindetalladadelascondicionesdeejecucindelos ensayosmecnicos,nicaractersticassobrelageomorfologadelasmuestras analizadas. Tabla 2.5: Parmetros geotcnicos relevados de publicaciones regionales Entorno FuenteN Ens.Mn.Mx. Valor MedioDesviacinEstndarCOV (%)Peso Unitario Seco (kN/m3)Reginatto (1970)---12,0013,5012,750,252,00 Nez et al. (1970)511,2013,0512,130,312,50 Rocca (1985)---10,5011,0010,750,080,78 Moll et al. (1991)---10,5014,0012,250,221,8 Rocca et al. (1994)(+)L16------13,100,090,69 Rocca et al. (1994)(+)L2A 38------13,000,040,31 Rocca et al. (1994)(+)L2B 84------13,600,100,74 41Entorno FuenteN Ens.Mn.Mx. Valor MedioDesviacinEstndarCOV (%)Rocca et al. (1994)(+)L42------13,100,020,15 Zeballos y Redolfi (1997) 813,0013,4113,210,070,52 Clari y Rinaldi (1998)612,2013,8913,050,282,10 Francisca et al. (2002)---12,2014,5013,350,382,80 Dahbar y Verra (2006)18511,216,513,20,075,3 Peso Unitario Hmedo (kN/m3)Nez et al. (1974)512,3014,4013,350,352,62 Francisca et al. (2002)---14,9016,8015,850,322,02 Lmite Lquido (%) Nez et al. (1974)527,0030,0028,500,51,75 Rocca et al. (1994)(+)L121------28,704,3014,98 Rocca et al. (1994)(+)L2A 79------24,002,9012,08 Rocca et al. (1994)(+)L2B 141------26,005,0319,35 Rocca et al. (1994)(+)L410------44,706,8015,21 Francisca et al. (2002)---20,8032,2026,501,97,17 Dahbar y Verra (2006)216173924,22,6611,0 ndice Plstico (%) Nez et al. (1974)58,0010,009,000,333,70 Rocca et al. (1994)(+)L122------8,200,384,63 Rocca et al. (1994)(+)L2A 64------4,000,215,25 Rocca et al. (1994)(+)L411------16,90 0,462,75 Rocca et al. (1994)(+)L2B 140------5,600,315,5 Clari et al. (2003)---4,0012,008,001,3316,6 42Entorno FuenteN Ens.Mn.Mx. Valor MedioDesviacinEstndarCOV (%)ndice Plstico (%) Francisca et al. (2002)---6,008,007,000,334,71 Dahbar y Verra (2006)2150,312,54,581,9342,0 Relacin de Vacos Nez et.al. (1970)51,021,381,200,065,00 Gravedad Especfica Nez et al. (1974)52,642,662,650,00330,13 Clari (2003)1------2,69------ Aiassa (2006)1------2,68------ Mximo Peso Unitario (Pro