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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil 1. Ensayos para determinar la resistencia del suelo: son los siguientes:
ENSAYO DE CORTE CON VELETA (O ENSAYO DEL MOLINETE):
Definición: La veleta es un aparato que se usa comúnmente para obtener la resistencia al corte de arcillas blandas a muy blandas. para obtener la resistencia al corte de arcillas blandas a muy blandas. Debido a su tamaño es posible hacer varios ensayos para determinar estadísticamente la resistencia al corte sin drenar (𝜏𝑢 ), de muestras SPT hechas a grandes profundidades, donde la toma de muestras produce mayores alteraciones (figura 3.6.).
Concreto armado ii
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil Procedimiento: El ensayo se aplica en depósitos cohesivos blandos donde la perturbación es crítica. Consiste en insertar una veleta dentro del suelo y aplicar una torsión. La resistencia al corte sin drenar (𝜏𝑢 ) se puede calcular mediante la siguiente expresión: τ u = 4 * T / π * (2 * d2 * h + a * d2) dónde: T = torsión aplicada (k g s * c m) d = diámetro de la veleta (5 a 15 cms.) h = longitud de la veleta (10 a 22,5 cms.) a = 2/3 para distribución final uniforme de los esfuerzos cortantes a = 3/5 para distribución final parabólica de los esfuerzos cortantes a = 1/2 para distribución final triangular de los esfuerzos cortantes
La veleta se introduce hasta la profundidad deseada y se aplica la torsión hasta que se corte el cilindro de suelo contenido entre el perímetro de la veleta (Carlson recomienda velocidad angular de 0, 1º/seg). El valor obtenido debe corregirse ya que las investigaciones señalan que entrega valores demasiado altos. Para corregir Bjerrum (1972) propuso una curva donde el valor de (𝜏𝑢 ) se multiplica por un factor 𝜆 obtenido del gráfico de la figura 3.7. y así tenemos el (𝜏𝑢 ) de diseño
Ensayo de corte simple: Definición: Es una variante del corte directo de laboratorio, en donde a la muestra ensayada no se le induce un plano de corte, sino que se somete a una fuerza que produce una deformación. En este ensayo, las líneas horizontales son líneas de extensión nula, en cambio en el ensayo de corte directo, la deformación está limitada a una zona muy estrecha próxima a la separación entre las cajas, por lo que este ensayo es inadecuado para el estudio de las deformaciones.
Concreto armado ii
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil Procedimiento: En los aparatos de corte simple (figura 3.8.), se coloca la muestra cilíndrica dentro de una membrana de goma, reforzada con un espiral de hilo de constantán (aleación de cobre y níquel). La muestra se somete a una deformación de corte simple (figura 3.9.) donde los planos principales de tensiones y deformaciones rotarán en la medida en que cambie el estado de tensiones. Durante el ensayo las tensiones y las deformaciones, serán las mismas sobre cualquier plano horizontal. Además, se elimina el roce con las paredes al aplicar el esfuerzo vertical. Durante la fase de consolidación, la tensión principal mayor es igual a la presión de consolidación vertical ( 𝜎 𝑣 ) y la tensión principal menor es igual a la tensión horizontal ( 𝜎 ℎ ) que corresponde al valor de 𝜎 ℎ = 𝐾𝑜 ∗ 𝜎 𝑣 . Debido a un incremento en las tensiones de corte en el plano horizontal, las que provocan una rotación en la dirección de las tensiones principales y cambio en la magnitud, las condiciones de tensiones son desconocidas y están limitadas a considerar las tensiones de corte ( 𝜏 𝑥 𝑦 ) y las tensiones normales ( 𝜎 𝑦 ) en el plano horizontal. Se supone que la probeta se rompe cuando la resistencia al corte en este plano alcanza un valor máximo, independiente de que se haya producido una resistencia al corte mayor en otro plano.
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ensayo corte directo:
Definición: La finalidad de los ensayos de corte, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga. Procedimiento: Para conocer una de estas resistencias en laboratorio se usa el aparato de corte directo, siendo el más típico una caja de sección cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento (𝑃𝑣) y luego una carga horizontal (𝑃ℎ) creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra (figura 3.3.).
El ensayo induce la falla a través de un plano determinado. Sobre este plano de falla actúan dos esfuerzos: - un esfuerzo normal( 𝜎 𝑛 ), aplicado externamente debido a la carga vertical (𝑃𝑣). - un esfuerzo cortante ( 𝜏 ), debido a la aplicación de la carga horizontal. Estos esfuerzos se calculan dividiendo las respectivas fuerzas por el área (𝐴) de la muestra o de la caja de corte y deberían satisfacer la ecuación de Coulomb: 𝜏 = 𝑐 + 𝜎 𝑛 ∗ 𝑇𝑔 ( 𝜑 ) Según esta ecuación la resistencia al corte depende de la cohesión (𝑐) y la fricción interna del suelo ( 𝜑 ).
Los valores de τ se llevan a un gráfico en función del esfuerzo normal ( 𝜎 𝑛 ), obteniendo la recta intrínseca (figura 3.4.), donde τ va como ordenada y 𝜎 𝑛 como abscisa. El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ángulo 𝜑 y el intercepto con el eje 𝜏 , la cohesión 𝑐 . Concreto armado ii
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Prueba Triaxiales: Definición El ensayo triaxial es utilizado habitualmente para determinar las propiedades resistentes y deformaciones de un suelo, cuando éste está sometido a un estado de tensiones tal que dos de las tensiones principales son iguales y donde los ejes principales de tensiones no giran Procedimiento: Consiste en colocar una muestra cilíndrica de suelo dentro de una membrana de caucho o goma, que se introduce en una cámara especial y se le aplica una presión igual en todo sentido y dirección. Alcanzado ese estado de equilibrio, se aumenta la presión normal o axial ( 𝜎 1 ), sin modificar la presión lateral aplicada ( 𝜎 3 ), hasta que se produzca la falla. Realizando por lo menos 3 pruebas, con presiones laterales diferentes, en un gráfico se dibujan los círculos de Mohr que representan los esfuerzos de falla de cada muestra y trazando una tangente o envolvente a éstos, se determinan los parámetros 𝜑 𝑦 𝑐 del suelo. Dependiendo del tipo de suelo y las condiciones en que este trabajará, las alternativas para realizar el ensayo serán consolidado no drenado (CU), no consolidado no drenado (UU) o consolidado drenado (CD). Método sin medición de presión de poros. -Equipo necesario. - Máquina de compresión, provista de un sistema de lectura de cargas y deformaciones de 0,01 mm. de precisión. - Cámara triaxial. Equipo compuesto de un pistón, un tubo de cristal o cámara de presión y conexiones para producir en la muestra vacío, presión, saturación o drenaje por medio de válvulas de paso (figuras 3.11. y 3.12.).
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil - Membrana de caucho o goma. - Un moldeador de muestra o expansor de membrana. - Bomba de vacío y fuente de presión. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Herramientas y accesorios. Recipientes plásticos, cuchillo de moldeo, equipo compactador Harvard, placas base, piedras porosas, espátula, compactador de muestras y cronómetro. -procedimiento para muestra remodeladas . - Preparación de muestra de suelo no cohesivo. Se acopla la placa base inferior a la base de la cámara triaxial y se monta la membrana de caucho, utilizando para sellar la uni ón, bandas de caucho o sellos de aro. Dentro de la membrana, se coloca la piedra porosa inferior y se instala el moldeador de muestra alrededor de la membrana. Si es posible, utilizar un expansor de membrana en vez del moldeador para hacer más fácil el proceso.
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El ensayo de carga de placa:
Definición: es un ensayo de campo para la determinación de la capacidad de soporte y asentamiento de un suelo. Procedimiento: Para la ejecución de la prueba debe excavarse una calicata hasta el nivel de desplante del cimiento. Una placa de carga de 2,54 cm (1 in) de espesor como mínimo y 30,5 cm (12 in) a 76,2 cm (30 in) de diámetro es utilizada para transmitir la carga al suelo. La carga es generada por un gato hidráulico apoyado en su parte inferior sobre la placa de carga y en la superior a una barra inmovilizada. El procedimiento de ensayo está estandarizado en el método ASTM D1194. La prueba consiste en aplicar con el gato hidráulico una carga previamente definida, ocasionando en el suelo un asentamiento. Cuando el asentamiento cesa se aplica otro incremento de carga, repitiéndose el proceso hasta alcanzar un asentamiento máximo permisible del suelo, 𝑆 𝑚𝑎𝑥 , hasta que se observe la falla en el suelo o hasta alcanzar la capacidad máxima del gato hidráulico. Los valores de incremento de carga son medidos por un manómetro conectado al gato hidráulico y los asentamientos por deformímetros ubicados sobre la placa de carga. El resultado es una curva carga-asentamiento. Concreto armado ii
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil El procedimiento ASTM D1194 considera como capacidad de soporte última para la placa de carga, 𝑞 𝑢𝑙𝑡 (placa), la carga correspondiente a un asentamiento del 10% del diámetro de la placa. La Ecuación 3 permite determinar la capacidad de soporte última para suelos arenosos. La capacidad de soporte última, 𝑞 𝑢𝑙𝑡 se calcula a partir de la capacidad de soporte última del ensayo de carga de placa, 𝑞 𝑢𝑙𝑡(placa). 𝐵(𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜) 𝑞𝑢𝑙𝑡 = 𝑞𝑢𝑙𝑡 (𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎) … … … … … … … (3) 𝐵(𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎) 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝐵(𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜) = 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜, 𝐵(𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎) = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎.
Prueba del presurímetro (PMT): Definición: La prueba del presurímetro se realiza in situ en una perforación y fue originalmente desarrollada por Menard (1956) para medir la resistencia y deformabilidad de un suelo. También la adoptó la ASTM como Test Designación 4719. Procedimiento: La prueba PMT tipo Menard consiste esencialmente en una sonda con tres celdas, de las cuales la superior y la inferior son celdas de guarda y la intermedia es una celda de medición, como se muestra esquemáticamente en la figura 2.32a. La prueba se efectúa en un agujero hecho de antemano con un diámetro entre 1.03 y 1.2 veces el diámetro nominal de la sonda. La sonda de uso más común tiene un diámetro de 58 mm y una longitud de 420 mm. Las celdas de la sonda se pueden expandir por líquido o bien por gas. Las celdas de guarda se expanden para reducir el efecto de la condición de extremo sobre la celda de medición, que tiene un volumen (𝑉𝑜) de 535 𝑐𝑚3 . Las siguientes son las dimensiones del diámetro de la sonda y del agujero, recomendadas por la ASTM:
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A fin de realizar una prueba, el volumen de la celda de medición, Vo , se mide y se inserta la sonda en la perforación. Se aplica presión en incrementos y se mide el nuevo volumen de la celda. El proceso se continúa hasta que el suelo falla o hasta que se alcance el límite de presión del dispositivo. El suelo se considera que falla cuando el volumen total de la cavidad expandida (𝑉 ) es de casi dos veces el volumen de la cavidad original. Después de terminar la prueba, la sonda de desinfla y se desplaza para probar a otra profundidad. Los resultados de la prueba del presurímetro se expresan en forma gráfica de presión contra volumen, como se muestra en la figura 2.32b.
En la figura, la zona I representa la parte de recarga durante la cual el suelo alrededor de la perforación se empuja de nuevo a su estado inicial (es decir, el que tenía antes de la perforación). La presión 𝑝𝑜 representa el esfuerzo horizontal total in situ. La zona II representa una zona seudoelástica en la que el volumen de la celda contra la presión de la misma es prácticamente lineal. La presión 𝑝𝑓 representa la presión de fluencia, o de decencia. La zona marcada III es la zona plástica. La presión 𝑝𝑙 representa la presión límite. En la figura 2.33 se muestran algunas fotografías de una prueba con Concreto armado ii
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil presurímetro en el campo. El módulo del presurímetro, Ep, del suelo, se determina utilizando la teoría de expansión de un cilindro infinitamente grueso. Se tiene entonces,
La presión límite 𝑝𝑙 suele obtenerse por extrapolación y no por una medición directa. Para superar la dificultad de preparar la perforación al tamaño apropiado, se han desarrollado presurímetros autoperforantes (SBPMT). Los detalles relativos a éstos se encuentran en el trabajo de Baguelin y colaboradores (1978). Varios investigadores desarrollaron correlaciones entre algunos parámetros del suelo y los resultados obtenidos en las pruebas con presurímetro. Kulhawy y Mayne (1990) propusieron que, para arcillas.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil Los valores comunes de 𝑁𝑝 varían entre 5 y 12, con un promedio de casi 8.5. Ohya y colaboradores (1982) (consulte también Kulhawy y Mayne, 1990) correlacionaron 𝐸𝑝 con los números de penetración estándar de campo (𝑁60) para arena y arcilla como se muestra:
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil 2. Fórmulas para hallar la capacidad de carga de los suelos: 2.1: capacidad de carga uniforme: Observando que el área de cimentación A por unidad de longitud es igual a B, se puede expresar la tensión media q por unida de superficie: 𝑞𝑐 = 𝑄/𝐴 y de la forma siguiente: 1
𝑞𝑐 = 𝑐 ∗ 𝑁𝑐 + Υ ∗ 𝐷𝑟 ∗ 𝑁𝑞 + 2 ∗ Υ ∗ 𝐵 ∗ 𝑁𝛾 Que es la segunda ecuación de TERZAGHI y considerada para cimentaciones poco profundas. Donde: 𝑘𝑔 𝑞𝑐 = 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛( 2 ) 𝑐𝑚 𝑘𝑔 𝑐 = 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 ( 2 ) 𝑐𝑚 𝑁𝑐 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛. ) 𝑘𝑔 𝛾 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜(𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒)( 3 ) 𝑐𝑚 𝐷𝑓 = 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛(𝑐𝑚) 𝑁𝑞 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎. . ) 𝐵 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛(𝑐𝑚). 𝑁𝛾 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑦 𝑎𝑙 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛. )
En dependencia del Angulo de fricción interna (𝜙) se determina de los ábacos los valores de 𝑁𝑐 , 𝑁𝑞, 𝑁𝛾 . Otras fórmulas: Suelo suelto: 𝑞′𝑐 =
𝑘𝑔/𝑐𝑚2
Zapata aislada cuadrada 𝑞′𝑐 =
2 1 ∗ 𝑐 ∗ 𝑁𝑐 + Υ ∗ 𝐷𝑟 ∗ 𝑁𝑞 + ∗ Υ ∗ 𝐵 ∗ 𝑁𝛾 3 2
1 ∗ 𝑐 ∗ 𝑁𝑐 + Υ ∗ 𝐷𝑟 ∗ 𝑁𝑞 + 0.4 ∗ Υ ∗ 𝐵 ∗ 𝑁𝛾 2
𝑘𝑔/𝑐𝑚2
Zapata aislada circular: 1 ∗ 𝑐 ∗ 𝑁𝑐 + Υ ∗ 𝐷𝑟 ∗ 𝑁𝑞 + 0.6 ∗ Υ ∗ 𝐵 ∗ 𝑁𝛾 2 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑟 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑞′𝑐 =
Concreto armado ii
𝑘𝑔/𝑐𝑚2
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BIBLIOGRAFÍA: Fundamentos de ingeniería de cimentaciones Séptima edición BRAJA M. DAS DAppolonia, D.J., Whitman, R.V. y D9Appolonia, E. (1969). “Sand Compaction with Vibratory Rollers,” Journal of the Soil Mechanics and Foundations División, American Society of Civil Engineers, vol. 95, núm. SM1, pp. 263-284 Juárez Badillo, E. y Rico Rodríguez, A. Mecánica de Suelos. 3ra. Ed., Limusa, 2001. Jiménez Salas, J. A. y coautores. Geotecnia y Cimientos. 2da. Ed., Rueda, 1992. Olivella, S. Problemas resueltos. Geotecnia. Mecánica de Suelos. UPC, 2003. Powrie, W. Soil Mechanics, Concepts & Applications. 2da. Ed., Spon Press, 2004.
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