tema 2 esfuerzos totales y efectivos 2015-1

7/26/2019 Tema 2 Esfuerzos Totales y Efectivos 2015-1

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UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO

FACULTAD DE

INGENIERA

MECNICA DE SUELOS II


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TEMA 2

PROFESOR: Ing. OSCAR DONAYRE CRDOVA

Principio de Esfuerzo

Total y Efectivo enSuelos


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Las fuerzas que actan entre partculas individuales del suelo

real, evidentemente, hace imposible el estudio de las fuerzas

existentes en cada punto de contacto. Ya que las presionesreales dentro de la masa de suelos son anisotrpicas. Por lo que

es necesario emplear el concepto de ESFUERZO.

Es as que el concepto de esfuerzo aplicado a los suelos, se

entiende como los esfuerzos que existen en una masa de suelo

debido: peso propio, al efecto de la presencia de agua en el

suelo, al efecto transmitido de las cargas externas, descargas

aplicadas y por ltimo se harn representaciones geomtricas

tiles para comprender el estado de esfuerzos en un punto deuna masa de suelo.


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ESFUERZOS GEOSTTICOS

El sistema de esfuerzos correspondiente al peso propio del suelo

suele ser complicado. Sin embargo, existe la idealizacin en el que

el peso del suelo da lugar a un sistema de esfuerzos muy sencillo:

cuando la superficie del terreno es horizontal y cuando la

naturaleza del suelo vara muy poco en direccin horizontal.

Presentndose este caso muy frecuentemente, en especial ensuelos de origen sedimentario. En tal caso, los esfuerzos se

denominan geosttico.

En lo descrito anteriormente se considera que no existen esfuerzos

tangenciales sobre planos verticales y horizontales trazados a

travs del suelo. Por lo que el esfuerzo vertical geosttico se calcula

considerando el peso de suelo por encima de dicha profundidad.


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Nivel del Terreno (N.T.)

h Peso Unitario del suelo

En suelos los

esfuerzos de

compresin se

consideran

matemticamente

como cantidades

positivas.

Esfuerzos Totales

El esfuerzo vertical total ( v)en un punto es el esfuerzo productodel peso de los materiales componentes del suelo (es decir el

geosttico) que se encuentran por encima del punto considerado.

v= hDonde: es el peso unitario del sueloh es la distancia del punto a la superficie del terreno


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Caso aEl esfuerzo vertical total( v)cuando el nivel freticocoincide con la superficie del terreno

v= sathwDonde: satpeso unitario del suelo saturado

Caso bEl esfuerzo vertical total( v)cuando el nivel fretico est porencima de la superficie delterreno

v= w h1+ sath2Donde: satpeso unitario del suelosaturado

N.T.

h2

sat

h1

v

w

N.F.


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N.T.

hd

v

Caso c (experimental)El esfuerzo vertical total( v)cuando el suelo est seco

v= d hDonde: dpeso unitario seco

N.T.

h

v

Caso dEl esfuerzo vertical total( v)cuando el suelo est parcialmentesaturado

v= h

Donde: peso unitario hmedo oparcialmente saturado

S 100%


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Caso general

El esfuerzo vertical total( v)cuando el terreno estconformado por varios estratos o capas de suelos

v= w h1+ sat1h2 + sat2h3Donde: sat1peso unitario del suelo saturado tipo 1

sat2peso unitario del suelo saturado tipo 2

N.T.

h2sat

h1

v

w

N.F.

h3 sat


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Concepto de Presin de poro, presin neutra, presinintersticial o esfuerzo neutro ( )

Es la presin existente en el agua presente en los intersticios, vacios

o poros de un suelo saturado. Por lo que se considera como un

esfuerzo isotrpico dentro de la masa de suelo.

En el caso que no exista flujo de agua la presin de poros es igual a

la presin hidrosttica. Por lo que la presin intersticial ( ) en un

punto determinado es igual al peso unitario del agua multiplicado

por la distancia (hw) del punto al nivel fretico.

= gw hw


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Para obtener informacin de los niveles freticos se

pueden utilizar las siguientes alternativas,

dependiendo de las caractersticas del estudio.

Los observaciones se pueden hacer mediante:

a) Pozos existentes; b) Superficies de agua libre

(lagos, ros, canales, manantiales o puquios,

pantanos, vertientes, etc.); c) Tubos de observacin

especialmente instalados para tal propsito.


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Pozos de observacin del nivel fretico

A) Pozo sin tubo B) Pozo entubado


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N.T.

h2

h1 Suelo 1

Suelo 2

En el caso cuando el N.F. coincide con la superficiedel terreno, el esfuerzo neutro ( ) ser:

= w hw = w(h1+h2)

N.F.


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N.T.

h2

h1

Suelo 1

Suelo 2

En el caso cuando el N.F. se encuentra pordebajo de la superficie del terreno, el esfuerzo

neutro ( ) ser:= w hw= w(h1+h2-ho)

hw

ho

N.F.


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Concepto de Ascensin Capilar en Suelos

En una masa de suelo, los espacios vacos o intersticios

interconectados pueden comportarse como tubos capilares dediversos dimetros. Por lo que la fuerza de tensin superficial

puede ocasionar que el agua en el suelo ascienda por arriba del

nivel fretio. La altura de ascensin capilar depender del dimetro

de los tubos, esta ascensin capilar disminuir con el incrementodel dimetro de los tubos. Como estos en el suelo tienen

dimetros variables, la altura de la ascensin capilar no ser

uniforme. Siendo la en cualquier punto en la zona de ascensin

capilar aproximadamente a:

= -S w h

Donde h= distancia medida hacia arriba desde el nivel fretico


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Nivel del agua

N.F.

Zona de ascensincapilar promedio en el

perfil del suelo

h

Ascencin capilar

hc

h

A

La presin en el punto Adentro del tubo capilar,

puede expresarse:

= - w h (para h= 0 a hc)


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Ascensin capilar en suelos

En las arenas y suelos finos debido al pequeo tamao de losporos o vacos se produce el fenmeno de ascensin capilar.

Cumplindose el principio siguiente mientras ms pequeosson los poros la altura a la que asciende el agua por encima delnivel fretico es mayor. A continuacin se dan valores de laaltura de ascensin capilar (hc) expresada en metros para lossuelos indicados en la tabla:

Tipo de Suelo Suelto

Cr: 15% 35%

Denso

Cr: 70% 85%

Arena gruesa 0.03 0.12 0.04 0.15

Arena media 0.12 0.50 0.35 1.10

Arena fina 0.302.00 0.40

3.50

Limo 1.50 10.00 2.50 12.00

Arcilla 10.00


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Concepto de Esfuerzo EfectivoConsidere un esfuerzo vertical en unpunto A situado a una profundidad h1+h2

debajo de la superficie del terreno. Elesfuerzo vertical total en el punto A es:

A= h1 +h2 sat

Luego se denomina esfuerzo efectivovertical en A ( A) a la diferencia entre elesfuerzo total en A menos la presin deporos en dicho punto, conocindose

tambin a esta presin efectiva comopresin intergranular:

A= h1 +h2 sat -

N.T.

h2 sat

h1

A

N.F.

N.T.

h2 sat

h1

A

N.T.

h2 sat

h1

A

N.F.


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N.T.

h2 sat

h1

A

N.F.

A= h1 +h2 sat -

A= h1 +h2 sat (h2)Esfuerzo Efectivo en A ( A):


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Diagrama deEsfuerzos con laProfundidad

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0 50 100 150 200 250 300 350

Esfuerzo Vertical Total (kPa)

Esfuerzo Nuetro (kPa)

Esfuerzo Vertical Efectivo (kPa)

Esfuerzo (kPa)

Profundidad(m)


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Esfuerzo en Condiciones Hidrodinmicas

Cuando existe movimiento o flujo de agua, las

presiones ya no se consideran hidrostticas sino que

pasan hacer presiones hidrodinmicas. En este caso,

para conocer los valores de las presiones de poro es

necesario medirlas in situ, lo que puede hacerse con

la ayuda de la instrumentacin geotcnica como son

los piezmetros.


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Piezmetro (Tubo abierto o Casagrande)

Un piezmetro es una tubera de dimetro pequeo,

abierta en ambos extremos, generalmente no perforada

(excepto en una seccin pequea, no superior a 10-20cm), instalada revistiendo el pozo taladrado en el suelo de

modo tal que no se produzcan filtraciones entre la pared

exterior del tubo y el suelo y permitir que toda el agua

que ingrese a su interior lo haga slo por el extremo

inferior.


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Piezmetro Tubo Abiertoo Casangrande

I t l i d i t


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Ranurado del

Tapa

Instalacin de piezmetro

TuboArena


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Sonda de nivel

Piezmetro abiertode cermica


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Sonda elctricapara localizar la

profundidad delnivel de agua


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OTROS TIPOS DE PIEZMETROS


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PIEZMETROS NEUMTICOS

Piezmetros neumticos o de Diafragma Hidralica


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Piezmetros neumticos y lectora de presiones


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Piezmetros elctrico o de Cuerda Vibrante


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Para el caso de Piezmetros de Tuboabierto o Casagrande

Si se empleara con fines de monitoreo geotcnico lospizmetros de tubo abierto o Casagrande, se podrapresentar los siguientes casos durante lainstrumentacin el cual se interpretara de lasiguiente manera:


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N.T.

A

N.F.

h1 = (hp)

No hay flujo

Cuando el nivel del agua en el tubo abiertocoincide con el N.F.

En este caso la presin de poros es igual a la presinhidrosttica; por lo tanto no existe flujo ni movimientodel agua:

hp


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Cuando el nivel del agua en el tubo abiertose encuentra encima del N.F.

En este caso la presin de poros es igual a la presinhidrodinmica; por lo tanto si existe flujo o movimientodel agua:

h1

N.T.

A

N.F.

hp >h1

= (hp)

Existe flujoascendente

hp


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Cuando el nivel del agua en el tubo abiertose encuentra por debajo del N.F.

En este caso la presin de poros es igual a la presinhidrodinmica; por lo tanto si existe flujo o movimientodel agua:

h1

N.T.

A

N.F.

hp


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RELACIN ENTRE ESFUERZOSVERTICALES Y

HORIZONTALES


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Relacin entre los esfuerzos horizontales yverticales

La relacin entre los esfuerzos horizontal yvertical se expresa por uncoeficiente de esfuerzolateral o de presin lateraly se designa por elsmbolok:

v

h

k

Esta definicin dek se emplea indiferentementede que los esfuerzos sean geostticos o no. Escomn inters la magnitud del esfuerzo geostticohorizontal en ese caso se habla delcoeficiente depresin lateral en reposodenominado comoko


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Para el caso de suelos sedimentarios el cual estformado por una acumulacin de sedimentos deabajo a arriba, al aumentar el espesor de los

sedimentos, se produce una compresin verticaldel suelo a todos los niveles debido al aumento delesfuerzo vertical. Por esta razn, para undepsito de arena formado de esta manera,k

o

suele tener un valor comprendido entre 0.4 y 0.5

Por otro lado, existe evidencia de que el esfuerzohorizontal puede ser superior al vertical si un

depsito sedimentario ha tenido una cargaimportante en el pasado. En esta casokopuedealcanzar valores de hasta 3.


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