laboratorio de suelos y hormigones ii - estudios de mecanica de suelos

8/19/2019 Laboratorio de Suelos y Hormigones II - Estudios de Mecanica de Suelos

1/29

AREA CONSTRUCCIÓN

Asignatura: Lab de suelos y hormigones II

Código: TTLB02/Estudios de mecánica de suelos

1

Unidad de Aprendizaje N°1

Propiedades de los suelos Hormigones y Morteros.

Aprendizajes Esperados

1. Identifica y analiza las características de los suelos.

1.0OBJETIVO.

Analizar la secuencia de eventos necesarios que se requieren seguir junto a la información mínima para realizarun estudio de mecánica de suelos. E.M.S

Calicata para exploración directa comuna de colina


2/29

AREA CONSTRUCCIÓN



2

2.0ANTECEDENTES GENERALES.

Antes del siglo XVII, la Ingeniería era realmente un arte pues sus problemas debían ser resueltos básicamente através del sentido común, la intuición o por la experiencia previa de eventos similares. Luego el desarrollo de laFísica en toda su magnitud, junto a la Mecánica, logró estudios teóricos y experimentales que entre otrospermitieron el desarrollo del uso de acero y hormigón, convirtiéndolo a este en el hormigón armado utilizada conéxito en las estructuras.

El suelo por su parte no participo de este desarrollo y quedó al margen en la Ingeniería, pero dado los numerososproblemas que comenzaron a surgir y que amenaza la estabilidad de las estructuras hizo que se desarrollaragracias al aporte de algunos ingenieros, a partir del fines del siglo XVIII, intentaran aisladamente dar respuesta a

algunos de estos fenómenos (Coulomb y otros). Sin embargo sólo a partir del siglo XX que se atiende en formaseria y sistemática el problema con un carácter científico, que identifico al suelo como el primer material deconstrucción, material que la Ingeniería desmembró para conocer todo el espectro de variables que este podíaentregar como información., y esto se inicia con la publicación del libro “Erdbaumechanik” (Mecánica de Suelos),de Karl Terzaghi, en la ciudad de Viena, en el año 1925. En resumen, la Mecánica de Suelos es un producto deeste siglo, con un fuerte desarrollo en los últimos años no exenta de modificaciones o ajustes, y con un campo deaplicación cada vez más amplio e importante en los proyectos de Ingeniería.

En Chile, los terremotos, han sido en muchos casos devastadores para las construcciones; caminos, puentes,puertos, taludes, viviendas, edificios, por lo que han obligado al desarrollo acelerado de esta especialidad de laIngeniería.

Se entiende como mecánica de suelos según la NCH 1508 Geotecnia: Estudio de mecánica de suelos, como “elestudio para determinar las características del subsuelo necesarias para analizar la estabilidad de masas de sueloo roca ante solicitaciones estáticas y dinámicas y/o ante la acción del agua y definir los parámetros de lainteracción suelo- estructura.”

Tipos de estudios de mecánica de suelo

Estudio de mecánica de suelos

Su objetivo es determinar el comportamiento esperado del subsuelo por la acción de los esfuerzos producidos poruna obra, ya sea una estructura, una excavación, un movimiento de tierra, un túnel, etc. Y por la acción del agua.Incluye la determinación de los parámetros del subsuelo para el diseño de la obra con un nivel de seguridadadecuado para evitar el deterioro o falla durante su vida útil.

Estudio preliminar

Es un estudio simplificado que se realiza para estimar las condiciones que se deben considerar durante el proyectode las obras en estudio y los posibles problemas que pueden surgir durante el proyecto y su construcción.


3/29

AREA CONSTRUCCIÓN



3

Estudio especial

Es un estudio enfocado a analizar o resolver un problema específico, como deterioro o falla de una estructuraexistente, el estudio de un derrumbe en una excavación, el control de desprendimiento y/o derrumbes de unmacizo rocoso, la estabilidad de una prensa de tierra existente, etc.

Este tipo de estudios requiere de una programación especial de la exploración, de los ensayos de laboratorio y enun criterio de análisis especial, los que deben estar acordes con las características del problema, con lo que sedesea determinar, y con la factibilidad de las mediciones.

Trabajo de gabinete inicial

Corresponde a la recopilación de la información existente sobre la zona a estudiar con el objeto de programar eltrabajo de campo y, si ello es factible, el trabajo de laboratorio necesario para obtener la información requerida del

subsuelo, o para ratificar, completar o ampliar la información existente.

La información factible de recopilar es la siguiente:

a) Ubicación: mapas, planchetas, plano topográfico, planos de anteproyecto de la obra, etc.b) Información geológica: memorias, informes y mapas geológicos.c) Información geotécnica: publicaciones, memorias e informes geotécnicos, registro de sondajes y

exploraciones geotécnicas.d) Información hidrográfica: cartas hidrológicas, tabla de mareas.e)

Información sismológica: normas NCh 433 y NCh 2369, información del Servicio Sismológico de laUniversidad de Chile y memorias e informes sobre eventos sísmicos.

f) Información local: estructuras y obras existentes en el área de interés.

3. Ensayo de laboratorio

Los ensayos y mediciones mínimas a realizar son los siguientes:

a) Clasificación completa:i) granulometría.ii) límites de consistencia (límites de Atterberg).Iii) peso específico.Iv) contenido orgánico, clasificación USCS y AASHTO en caso de cambios.

b) Densidad en sitio o peso unitario natural.c) Contenido de humedad natural.

4. Profesionales que pueden desempeñar la tarea

a) Ingeniero civil.b) Ingeniero constructor.c) Constructores civiles.d) Arquitectos.

e) profesionales licenciados de carreras afines al área de la construcción.


4/29

AREA CONSTRUCCIÓN



4

TIPOS DE FALLAS EN EL SUELO

Para efectos del estudio de la mecánica de suelos debemos considerar que el suelo puede fallar por las siguientescausas:

- La más importante es la falla al corte. Esta es originada por el deslizamiento de una parte del macizo sobre unazona de apoyo que permanece fija. Este tipo de falla podemos verla en taludes, excavaciones verticales,fundaciones, entre otras.

- La segunda corresponde a la deformación excesiva. En este caso, la roca y el suelo, al igual que otros materialestales como el acero, el hormigón y la madera por ejemplo, se deforman para equilibrar las solicitaciones externas.El ejemplo más claro de esto son los asentamientos debido al carácter deformable que posee el suelo.

- La última es la falla de la estructura del suelo por erosión, donde se pierden partículas minerales que constituyenla estructura del suelo. Aquí podemos hallar el caso típico de la infiltración del agua a través de las presas de tierray el flujo hacia drenes. Existen ejemplos devastadores en el mundo por fallas de este tipo como la presa deTetonDam en Idhajo, con numerosos daños en la comunidad próxima.

FALLAS POR CORTE

En el estudio de una posible falla por corte, es necesario tener un manejo adecuado de las herramientas quepermiten:

a) La determinación de las tensiones generadas por la aplicación de una solicitación a la masa de suelo oroca.

b) La determinación de la capacidad resistente del material que está siendo solicitado.

DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES AL INTERIOR DE UNA MASA DE SUELO.

La determinación de las tensiones al interior de una masa de suelo se puede realizar por alguno de los siguientesmétodos:

a) Métodos analíticos basados en la Teoría de Boussinesq.

b) Métodos numéricos tales como el Método de Elementos Finitos.


5/29

AREA CONSTRUCCIÓN



5

MÉTODOS BASADOS EN LA TEORÍA DE BOUSSINESQ.

Boussinesq dedujo las ecuaciones que permiten determinar las tensiones al interior de una masa de suelo cuandoéste es solicitado por una carga concentrada Q en su superficie.

Integrando las ecuaciones de Boussinesq para diferentes casos de carga, se generaron diversos gráficos llamados“bulbos de presiones” que permiten estimar los incrementos de presiones verticales y horizontales en un punto al

interior de la masa de suelo, bajo varios tipos de cargas diferentes.

Los bulbos de presión se construyen dibujando a diferentes escalas la planta de la zapata, y aplicando la carta deinfluencia

Para áreas cargadas de formas irregulares, se puede usar las denominadas “Cartas de Influencia”, o bien, utilizar

el principio de superposición aplicando áreas cargadas positivamente y otras negativamente.

Para calcular los incrementos de presión generados en el suelo por la acción de un terraplén, se puede usar laexpresión de Carothers.

En el caso de suelos estratificados, al no ser válida la teoría de Boussinesq, se utilizan desarrollos de otros autorestales como Westergaard.

6.0 Equipos

Los estudios de mecánica de suelos se ejecutan utilizando equipamiento mecánico o manual según sea el objetivodel estudio y profundidad necesaria de este, podemos destacar.

Prospección por observación directa

Zanja


6/29

AREA CONSTRUCCIÓN



6

Calicata

Prospecciones semidirectas

Sondaje a rotación sobre balsa


7/29

AREA CONSTRUCCIÓN



7

Sondaje por impacto SPT sobre balsa

Sondaje terrestre sobre camión


8/29

AREA CONSTRUCCIÓN



8

Prospección Indirecta a través de equipo para medir vibración, resistividad, ondas de impacto, otros. Foto catalogoEquipo Remi

3.0 Metodología del estudio

Etapa I

Recopilación de antecedentes y campaña de terreno

En esta etapa se procede a recopilar los antecedentes necesarios de:

Tipo de estructura

Geología del lugar de emplazamiento

Campaña de muestreo y ensayos in situ

Tipo de estructura

Aquí se debe conocer el tipo de estructura a emplazar para definir la profundidad a la cual se realizara laprospección, la cual en términos generales es .

Pavimentos mínimo 1,5 mt

Viviendas sin subterráneo mínimo 2,5 mt

Edificios con subterráneos minimo 2,5 mt bajo cota de fundación

Obras Civiles ( Puentes , tranques ,Otras ) según especificación


9/29

AREA CONSTRUCCIÓN



9

En esta etapa la regla básica es 5 a 6 veces el ancho de la fundación, lo que se considera como bulbo deinfluencia para el caso de fundaciones.

II Geología del Lugar de emplazamiento

Es etapa es tan importante como las anteriores dado que aquí se deben identificar posibles riegos a los cuales severá enfrentada la construcción y que deben ser abordados.

Reptación del suelo - Allos (Alpes de Alta Provenza, Francia) - 03

Banco de Imágenes Geológicas Reptación del suelo

https://www.flickr.com/photos/banco_imagenes_geologicas/sets/72157624881321305/


10/29

AREA CONSTRUCCIÓN



10

Movimiento de masas de suelo

http://jersb.blogspot.com/2012/11/capitulo-7-movimiento-en-masa.html

Desplazamiento de manto rocoso

http://masquegeomorfologia.blogspot.com/


11/29

AREA CONSTRUCCIÓN



11

http://www.monografias.com/trabajos42/cerro-juan-sapo/cerro-juan-sapo2.shtml

Campaña de muestreo

En esta etapa se debe definir el tipo de muestra que se requiere tomar según sea la finalidad del estudio y losensayos factibles de realizar en terreno.

Penetro metro de Bolsillo para compresión simple

Imagen Catalogo equipo ELE


12/29

AREA CONSTRUCCIÓN



12

Densidad de terreno método del cono de arena

Elaboración propia


13/29

AREA CONSTRUCCIÓN



13

Obtención muestra inalterada

Elaboración propia


14/29

AREA CONSTRUCCIÓN



14

Descripción estratigráfica

Elaboración propia

La descripción estratigráfica toma mucha relevancia toda vez que le permite a un tercero responsable del diseñoobservar a través de otro. Es ultimo debe contener los conocimientos necesarios y la experiencia suficiente paradeterminar y describir características cualitativas y aproximaciones cuantitativas respecto de las características delos suelos explorados u/o observados. Por tanto este profesional o técnico requiere de un “ojo entrenado”.

Entre las características observadas están:

Tipo de suelo

Color Humedad

Compacidad o consistencia

Estructura

Tamaño

Forma del grano

Presencia de napa freática o artesiana

Relleno

Sobretamaño

Otros


15/29

AREA CONSTRUCCIÓN



15

Tipo de suelos: Se refiere a la definición del tipo de suelo predominante en el estrato seguido de los demáscomponentes como ser arcilla limosa, grava arenosa, arena limosa, otros

Estrato de suelo Fino Estrato de suelo grueso

Color: se debe indicar el color predominante en el estrato y cualquier pigmentación de este como ser; cafécastaño con pigmentos de colores blancos y verdes.

Café Claro Café Rojozo


16/29


17/29

AREA CONSTRUCCIÓN



17

Estructura Homogénea con presencia de raíces

Tamaño y forma

Se puede identificar los tamaños predominantes y su forma rodado, chancado, otros

Foto propia, Tamaño 2” , de canto rodado y sub angular


18/29

AREA CONSTRUCCIÓN



18

Napa freática y artesiana

Siempre se debe indicar la presencia o no de agua en el suelo toda vez que esta condición es muy importante parael estudio de mecánica de suelos dado que eventualmente según fluctuaciones podría asentar la estructura o bajociertas condiciones licuar el estrato.

Foto http://water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html

Napa freática


19/29

AREA CONSTRUCCIÓN



19

Rellenos y Sobre tamaño

Cuando hay rellenos se debe acotar al máximo su condición incluyendo el mayor número de detalles a fin deestimar entre otros su grado de consolidación, posible remoción y reemplazo entre otros.

Relleno artificial competente

Elaboración Propia

Relleno artificial no competente

Elaboración Propia


20/29

AREA CONSTRUCCIÓN



20

Otros

Aquí se debe considerar incluir cuando corresponda en nombre que los lugareños asignan a cada tipo de suelocomo ser:

Pumacita : arena de origen volcánico

Cancagua: Limo cementado, valdivia

Coquina :Conglomerado de fósiles marino Antofagasta y Tocopilla.

Mazacote :Arcilla o limo de color gris muy plástica y compresible Punta Arenas

Fierillo : Arena o grava limosa de alto peso especifico Puerto Montt y Chiloe

Maicillo : Granito descompuesto 4ta Región al sur

Sebo de Burro: Arcilla de color gris plástica y compresible se parece al mazacote.

Tosca : Roca descompuesta entre el límite de roca y suelo.

Mallín : Suelo pantanoso orgánico lleno deraíces y trozos .Aysen y Chiloe.

Gualve : Pantanoso y orgánico Temuco y Osorno

Bofedal : Pantanoso y orgánico I región.

Chuca : Limo arenoso 1ra y 3ra región.

Trumao: Suelo limoso color café en estado seco muy resbaladizo en invierno 6ta a 10 región.

Porotera: Lente de grava sin fino o arena abundante en los ríos Mapocho, Maipo, Aconcagua, Cachapoal, Etc.

Tertel: Suelo cementado en capas con abundantes conchuelas Coquimbo, La Serena.

Tierra Colorada: Estabilizado natural compuesto por grava Iquique


21/29

AREA CONSTRUCCIÓN



21

II Etapa Ensayos

En esta etapa se debe definir la batería de ensayos a realiza según sea el objeto del estudio. No obstante existenensayos que son comunes y que buscan caracterizar el tipo de suelo a través de la obtención de sus propiedadesíndices.

Pavimentación

Clasificación USCS

Granulometría según M.C. Vol.8/2012 Secc.8.102.1

Densidad de partículas sólidas según NCh1532 Of.1980

Humedad según NCh1515 Of.1979

Límite Líquido según NCh 1517/2 Of.1979

Límite Plástico según NCh 1517/3 Of.1979

Proctor Modificado según NCh 1534/2.Of79

C.B.R. según NCh1852.Of811

Infiltración Sistema Porchet

Fundaciones

Clasificación USCS

Granulometría según M.C. Vol.8/2012 Secc.8.102.1

Densidad de partículas sólidas según NCh1532 Of.1980

Humedad según NCh1515 Of.1979

Límite Líquido según NCh 1517/2 Of.1979

Límite Plástico según NCh 1517/3 Of.1979

Densidad de terreno Cono de Arena según NCh1516 Of.1979

Máxima (vibrada) y Mínima según ASTM D 4254 y ASTM D 4253 Densidad Método del Bloque

Descripción Estratigráfica (hasta 3,00 m)

Presión de hinchamiento

Hinchamiento libre

Corte Directo CU según ASTM 3080-03

Corte directo UU según ASTM 3080-03

Compresión no confinada,(Natural y Re moldeada) según ASTM D2166-0

Consolidación hasta 4 kgf/cm²

Análisis Granulométrico por Hidrometría

Cross Hole

Down Holle

Placa de Carga


22/29

AREA CONSTRUCCIÓN



22

III Etapa diseño propiamente tal o Cálculo

Nuevamente a aquí debemos distinguir entre el diseño de pavimentos y el de fundaciones

Pavimentos

Son varios los métodos de diseño de pavimentos que existen entre ellos están

Metodo del índice de grupo

Método de la FAA

Metodo del C.B.R

Método de Mc Leod

Método de Kansas

Método Hveem

Metodo del instituto del asfalto de Estados Unidos

Método experimental AASHTO

Metodo Shell

Metodo Mecanicista

Metodo Sudafricano

El método de diseño estructural de pavimentosflexibles utilizado en nuestro país es el método empíricoAASHTO 93, el cual especifica como criterio de falla la serviciabilidad, es decir, se basa en la observación delcomportamiento de pavimentos existentes y en parámetros que no permiten profundizar un cálculo analítico.

Por su parte los métodos mecanicistas se basan en propiedades mecánicas de los materiales relacionadoscon cargas en las ruedas cuyo resultado es una respuesta del pavimento representada por tensiones ydeformaciones unitarias, las cuales se utilizan para predecir los deterioros mediante un modelo empírico(criterios de falla).


23/29

AREA CONSTRUCCIÓN



23

Método AASHTO´93.

Ecuaciones Básicas del Método.

Las ecuaciones básicas usadas para pavimentos flexibles y rígidos, expresadas en el sistema internacional(SI), que propone la Guía AASHTO son las siguientes:

Pavimentos Flexibles.

El método de diseño de pavimentos flexibles es basado en AASHTO versión 1993, no considera la zonanorte donde las precipitaciones madia anual para 10 años de periodo de retorno (PP10), sea inferior a 40mm.

1

32.240.1636.9

5.12.4104.25 0

f i

R

S Z P P

M NE EE R

19.5

4.25

811.9740.0

NE

En donde:

EE : Eje equivalente de 80 KN acumulados durante la vida de diseño.NE : Numero estructural (mm).NE : a1*h1+a2*m2*h2+a3*m3*h3

a1*h1 : Coeficiente estructural y espesor (mm) de cada una de las capas asfálticas o tratadas queComponen el pavimento. Los sub índices 2 y 3 representan las capas granulares no tratadas

m3 y m3 : Coeficientes de drenaje de las capas no tratadas ( base y sub base granular)

Zr : Coeficiente estadístico que depende del nivel de confianza que se adopte.So : Desviación estándar del error combinado de todas las variables que intervienen en el modeloMr : Modulo resiliente del suelo de la sub rasante (Mpa).Pi : Índice de serviciabilidad inicialPt : Índice de serbiciabilidad final


24/29


25/29

AREA CONSTRUCCIÓN



25

Sc : Desviación estándar de la combinación de errores de predicción de tránsito y de predicción delcomportamiento general del pavimento para un nivel de transito dado.

D : Espesor de la losa.Sc : Resistencia media a la flexotracción del hormigón a los 28 días, con carga en los tercios (Mpa)L1 : carga de eje simple 80 KNL2 : Codigo de eje simple iguala 1Pi : Índice de serviciabilidad inicialPt : Índice de serviciabilidad finalσt· : Tensión de tracción máxima en la losa, para una condición de carga de borde, en Mpa,

considerando efectos de temperaturaσt : Tensión de tracción máxima en la losa, para una condición de carga de borde, en Mpa,

considerando efectos de temperatura en la prueba AASTHO

Clasificación del camino Vida de diseño en añosDe alto transito en zonas urbanas 25-40

Caminos nacionales 20-30

Regionales Principales 20

Regionales secundarios 20

La capacidad de carga nominal se deberá estimar en base a los parámetros del suelo utilizando teoríasreconocidas de la mecánica de suelos. Los parámetros del suelo usados en los análisis deberán serrepresentativos de la resistencia al corte del suelo bajo las condiciones subsuperficiales y de carga consideradas.La capacidad de carga nominal de las zapatas en suelos no cohesivos se deberá evaluar empleando análisis detensiones efectivas y parámetros de resistencia correspondientes al suelo en condición drenada. La capacidad decarga nominal de las zapatas en suelos cohesivos se deberá evaluar empleando análisis de tensiones totales yparámetros de resistencia correspondientes al suelo en condición no drenada. En aquellos casos en los cuales lossuelos cohesivos pudieran ablandarse y perder resistencia en función del tiempo, la capacidad de carga de lossuelos también se deberá evaluar para las condiciones de carga permanente usando análisis de tensionesefectivas y parámetros de resistencia correspondientes al suelo en condición drenada.

Capacidad de carga de las cimentaciones Superficiales

La capacidad de carga admisible en un suelo corresponde a a aquella que puede ser aplicada al suelo sin que sedañe la estructura que el suelo soportara. Esta carga depende tanto del suelo como del tipo de fundación que sediseñe, sumado a esto hay que considerar los parámetros de seguridad adoptados.

Cuando un suelo falla en su capacidad de carga,se ha observado que esta falla ocurre como una rotura porcorte, siendo tres las más clásicas:

Falla por corte general

Falla por punzonamiento

Falla por corte local

Comentado [NMP1]:


26/29

AREA CONSTRUCCIÓN



26

Falla por corte general

Se presenta identifica por su superficie de deslizamiento continuo, comienza en el borde y se desliza por el suelos,Este tipo de falla es repentina y con efectos catastróficas sobre la estructura, generalmente se observa lafundación con movimiento o inclinación, provoca hinchamiento o bufamientodel suelo. adyacennte a la estructura.

Falla por Punzonamiento

Se caracteriza este tipo de falla por un movimiento vertical de la fundación a través de un movimiento decompresión del suelo bajo la fundación, no se observa movimiento de la fundación sobre la superficie del suelo osea no hay deslizamiento., El suelo se presenta por corte alrededor de la fundación.En este tipo de falla existe unamarcada tendencia al bufamiento del suelo a los lados de la fundación.


27/29

AREA CONSTRUCCIÓN



27

Falla por corte local

Tensiones admisibles.

Las tensiones máximas admisibles por consideraciones de falla por corte del suelo, se determinaronconforme al criterio de K. Terzaghi, según la expresión:

F N B F N D F N cS F

q qq f ccadmisible 21 5.0..

1

Donde:qadmisible = tensión admisible del suelo, [Ton/m2 ].

F.S. = factor de seguridad.

c = cohesión del suelo.

1 = peso unitario del suelo de sobrecarga [Ton/m3 ].

2 = peso unitario del suelo de apoyo [Ton/m3 ].

Df = profundidad de empotramiento [m].

B = ancho de la zapata [m].

N c , N, N q = factores de capacidad de carga.

F c , F, F q = factores de forma.


28/29

AREA CONSTRUCCIÓN



28

Coeficiente de Balasto

Para las características del suelo de fundación se puede estimar el valor del Módulo de Reacción Verticalbasándonos en la teoría de elasticidad:

I B E

k

2

1

Ecuación 1

donde:

E : Módulo de deformación del subsuelo: Módulo de Poisson del Subsuelo

B : Lado menor de la fundación

I : factor de influencia para el desplazamiento vertical

Coeficientes de empujes laterales

Los coeficientes de empuje para los diferentes estados del suelo pueden determinarse a través de lassiguientes expresiones:

Coeficiente de empuje activo

sen

sen K a

1

1

Ecuación 2

Coeficiente de empuje pasivo

sen

sen

K K

a

p

1

11

Ecuación 3


29/29

AREA CONSTRUCCIÓN



29

Coeficiente de empuje en reposo

sen K 10

Asentamientos.

Considerando las características del subsuelo donde se desea emplazar la estructura, se consideran sóloasentamientos instantáneos y comportamiento lineal de la masa de suelo. Por lo tanto, se puede estimar elasentamiento esperado promedio en centro de fundación de forma rectangular y cargados uniformemente, ,mediante la siguiente expresión (Schleicher, 1926):

Fundación flexible

I

E Bqaplicada

21

848.02

Fundación rígida

I

E

Bqaplicada

2

1789.02

en que:

= asentamiento instantáneo.

qaplicada = tensión aplicada.

B = lado menor o ancho de la zapata.

= módulo de Poisson del suelo.

E = módulo de deformación del sub-suelo.

I = factor de influencia.

laboratorio de suelos y hormigones ii - estudios de mecanica de suelos

Documents