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• John Carlos Leonardo Mendoza

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL, DE SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

TITULO: SIMULACIÓN DE FALLA DE UN SUELO ARENOSO ARCILLOSO SOMETIDO A CARGA VERTICAL.

INTEGRANTES: Leonardo Mendoza John C. Lumba Lozano Hector Monteza Coronado Marco A. Santa Cruz Ugaz Max F. FECHA: 17/11/2020

LUGAR: LAMBAYEQUE

ÍNDICE 1.

ABSTRACT

1

2.

RESUMEN

2

3.

TÉRMINOS CLAVES

2

4.

INTRODUCCIÓN

3

4.1.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

3

4.2.

HIPÓTESIS

3

4.3.

OBJETIVOS

3

4.4.

JUSTIFICACIÓN

3

4.5.

CONTEXTO

3

4.6.

VARIABLES

3

4.7.

LIMITACIONES

4

4.8.

UTILIDAD DEL ESTUDIO

4

5.

MARCO TEÓRICO

4

6.

MÉTODO

7

6.1.

ENFOQUE

7

6.2.

CONTEXTO

7

6.3.

MUESTRA

7

6.4.

DISEÑO

7

6.5.

MATERIALES

7

6.6.

PROCEDIMIENTO

8

6.7.

DESCRIPCIÓN DE RECOLECCIÓN DE DATOS

8

7.

RESULTADOS 7.1.

ANÁLISIS DESCRIPTIVO

7.2.

ANÁLISIS ANALÍTICO

8.

DISCUSIÓN

9 9

16

8.1.

DESCUBRIMIENTOS CENTRALES

16

8.2.

LIMITACIONES

16

8.3.

HALLAZGOS

16

CONCLUSIONES

16

10.

REFERENCIAS

16

11.

APÉNDICE

17

12.

RECONOCIMIENTOS

35

9.

1. ABSTRACT The present work was carried out with the objective of simulating the general shear failure of a clay and sandy soil, placing several layers of different clay soils of low plasticity (black color) and sandy (Yellow) in a glass container with a thickness , with layers of 0.3 cm to 0.5 cm for each layer. A scaled concrete footing (6 cm long and 4.5 cm wide) was then placed over the soil layers. Due to the lack of compactness of the soil, the settlement that caused the foundation could be visualized.

KEYWORDS: General ground failure, settlement, soil deformation.

1

2. RESUMEN El presente trabajo se realizó con el objetivo de simular la falla por corte general de un suelo arcilloso y arenoso, colocando varias capas de diferentes suelos de arcilla de baja plasticidad (color negro) y arenoso (Amarilla) en un recipiente de vidrio con un espesor, con capas de 0.3 cm a 0.5 cm por cada capa. Luego se colocó una zapata de concreto a escala (6 cm de largo y 4.5 cm de ancho) sobre las capas de suelo. Debido a la falta de compacidad del suelo se pudo visualizar el asentamiento que ocasionó la cimentación.

3. TÉRMINOS CLAVES Falla general del suelo, asentamiento, deformación del suelo.

2

4. INTRODUCCIÓN 4.1.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

Descripción del problema. - Los soportes verticales ya sean pilares o columnas transmiten diferentes esfuerzos axiales concentrados principalmente a elementos bidimensionales que trabajan a flexión, como por ejemplo las zapatas. Estos esfuerzos y el tipo de suelo determinan el tipo de falla. Generalmente en suelos de consistencia compacta, al aplicarle Un esfuerzo axial excesivo observemos que falla por cortante general.

Formulación del problema. - En razón a lo expuesto, ¿se obtendrá una falla por corte general al aplicar una carga a un suelo arenoso - arcilloso mediante una zapata y pilote a escala?

4.2.

HIPÓTESIS:

La superficie de suelo se desliza de forma continua, ya que el suelo es de consistencia densa.

4.3.

OBJETIVOS:

- Simular la falla por cortante general de un suelo arenoso - arcilloso sometido a carga vertical. - Como contrastar la coherencia de nuestros resultados con informes oficiales sobre falla por punzonamiento y establecer el marco referencial que sustenta la investigación de los ensayos para la determinación de tipos de fallas por cargas.

4.4.

JUSTIFICACIÓN:

Los ingenieros de cimentaciones dedican su tiempo al estudio de la resistencia de los suelos, de cómo estos reaccionarán a diversas formas de carga para poder tener cada vez Conocimientos acertados sobre éstos; aun así, no es suficiente la cantidad de estudios que se hacen hasta la actualidad.

4.5.

CONTEXTO:

Los ensayos fueron realizados por 2 de los integrantes del grupo, en el domicilio de uno de los integrantes, está ubicada en la Av. José Carlos Mariátegui 378 - Lambayeque. Las fechas en las que se realizó los determinados ensayos fueron: El 4 de noviembre del 2020, se habilitó con los materiales y la construcción de la zapata y pilote a escala, y el 12 de noviembre del 2020, se realizó el ensayo en el recipiente de vidrio.

4.6.

VARIABLES: Variable Independiente

Rotura por corte general del suelo por efecto del peso de la zapata y pilote a escala. Variable dependiente Asentamiento del suelo arenoso. Interviene: Peso de la zapata, Capacidad portante del suelo, Dimensiones de la cimentación. Tipo y calidad del concreto armado de cimentación 3

4.7.

LIMITACIONES:

Las limitaciones presentadas son la ausencia de un instrumento para medir la cantidad de fuerza aplicada, que los espesores de las capas de arena y arcilla sean uniformemente iguales y la colocación óptima de la arena para producir la falla notablemente a simple inspección.

4.8.

UTILIDAD DEL ESTUDIO:

Para tener una predicción cercana a cómo reaccionará un suelo a determinada carga, y por ende que tipo de solución escoger darle y para prevenir efectos posibles de asentamiento.

5. MARCO TEÓRICO El tema tratado en este informe es el relacionado con las fallas que presentan los suelos rígidos, en este ensayo tenemos a la arena, es por ello que es importante saber o tener un concepto previo sobre lo que es capacidad de carga porque este término está relacionado directamente con las fallas de suelos. La parte inferior de una estructura se denomina generalmente cimentación y su función es transferir la carga de la estructura al suelo en que ésta descansa. Una cimentación adecuadamente diseñada es la que transfiere la carga a través del suelo sin sobresforzar a éste. Sobresforzar al suelo conduce a un asentamiento excesivo o bien a una falla cortante del suelo, provocando daños a la estructura. Por esto, los ingenieros geotecnistas y estructuristas que diseñan cimentaciones deben evaluar la capacidad de carga de los suelos. Definimos una franja de cimentación (es decir, una cuya longitud es teóricamente infinita) fundado sobre la superficie de un suelo cohesivo firme o una arena densa, como muestra la figura 1, con un ancho B. Ahora, si la carga es aplicada gradualmente a la cimentación, el asentamiento aumentará. La variación de la carga por área unitaria sobre la cimentación q, junto con el asentamiento de la cimentación también se muestra en la figura 1. En un cierto punto, cuando la carga por área unitaria es igual a 𝑞𝑞, como podemos ver en la figura 2, tiene lugar una falla repentina en el suelo que soporta la cimentación, y la superficie de falla en el suelo se extenderá hasta la superficie del terreno. A esta carga por área unitaria 𝑞𝑞 se le denomina capacidad última de carga de la cimentación. A este tipo de falla repentina en el suelo se le llama falla por cortante general.

Fig.1. Falla por corte general.

Fig.2. Diagrama esfuerzo - asentamiento

4

Así como existe una falla por cortante general, también se produce otros tipos de fallas, como la falla por cortante local o por punzonamiento que suceden principalmente en suelos de consistencia intermedia o blanda. En 1973, con base en resultados experimentales, el ingeniero geotécnico yugoslavo estadounidense Aleksandar Sedmak Vesic propuso una relación para el modo de falla por capacidad de carga de cimentaciones descansando en arenas. La figura 3 muestra esta relación, que contiene la siguiente notación: 𝑞𝑞 = compacidad relativa de la arena 𝑞𝑞 = profundidad de la cimentación medida desde la superficie del terreno. 𝑞 = ancho de la cimentación.

Fig.3. Modos de falla en cimentaciones sobre arena (según Vesic, 1973).

Vesic nos presenta la gráfica describiendo, si la arena es más compacta, la falla tiende a ser por cortante general mientras que, mientras más suelta es, será por punzonamiento. Cabe resaltar que el estudio de la capacidad de carga del suelo es necesario debido a que las obras de ingeniería civil descansan sobre el suelo, y muchas de ellas utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques, y rellenos en general, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético, estará regido por la conducta del material de asiento situado, o por la del suelo utilizado para conformar los rellenos, y si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo, o si aún sin llegar a ellos las deformaciones son estructuras, quizás no tomados en consideración en el diseño, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomes que pueden producir, en casos extremos de la obra a su inutilización y abandono. 5

Ahora en si la falla es un deslizamiento o una discontinuidad que se forma por el movimiento del suelo cuando pierde su estabilidad. Relacionando los dos conceptos principales en este documento, las fallas por capacidad de carga se producen cuando el terreno tiene una capacidad de carga inferior a las cargas impuestas. Este tipo de fallas sucede cuando se construye sobre rellenos no compactados o con un nivel bajo de compactación, cuando se colocan fundaciones superficiales en un terreno de baja capacidad de soporte, cuando las fundaciones son pilotes que no alcanzan terreno firme o cuando el área de contacto tangencial no es la necesaria para contrarrestar los esfuerzos de cargas aplicada a la cimentación, entre otros. Cuando el suelo es incompresible o tiene una consistencia rígida, bajo el cimiento se desarrollará una falla por corte general, y cuando el suelo es compresible y de comportamiento de consistencia blanda, se desarrollará una falla por punzonamiento. A continuación, se dan algunos ejemplos de compresibilidad para diversos suelos: - Las gravas y las arenas son prácticamente incompresibles. Si se comprime una masa húmeda de estos materiales no se produce ningún cambio significativo en su volumen. - Las arcillas son compresibles. Si se comprime una masa húmeda de arcilla, la humedad y el aire pueden ser expelidos, lo que trae como resultado una reducción de volumen que no se recupera inmediatamente cuando se elimina la carga.

6

6. MÉTODO El procedimiento que llevamos a cabo para realizar este ensayo fue el siguiente:

6.1.

ENFOQUE:

El enfoque de la investigación es cuantitativo, pues se va a seguir un conjunto de procesos secuenciales y probatorios partiendo de una idea, de la cual derivará objetivos y preguntas, se construirá un marco teórico, se delimitarán variables y se extraerán conclusiones. Así, para analizar las diferentes fallas que obtendremos tendremos que realizar distintos ensayos que más adelante serán descritos de manera detallada. Para lograr mayor precisión y obtener lo que se busca, se realizaron dos ensayos (Suelo sin compactar)

6.2.

CONTEXTO:

Los ensayos se realizaron en el domicilio de uno de los integrantes del grupo a cargo de realizar el informe del ensayo respectivo, la cual está ubicada en Av. Demetrio Acosta Lambayeque. Las fechas en las que se realizó los determinados ensayos fueron 7 y 8 de enero del 2020.

6.3.

MUESTRA:

El suelo utilizado para este experimento es de característica arena gruesa, y la otra capa es de arcilla de baja plasticidad. Para ser más detallados éstas fueron obtenidas de la ciudad de Lambayeque, la arena amarilla se extrajo de un lugar donde estaba construyendo y la arcilla, se extrajo de un campo agrícola, cerca de la vivienda en la que se realizó el ensayo.

6.4.

DISEÑO:

El diseño utilizado fue el experimental, pues hemos reproducido lo que ocurre en la naturaleza con los suelos al reaccionar a cargas aplicadas, ya que hemos reproducido el fenómeno natural, pero de una manera controlada.

6.5.

MATERIALES:

1. Suelo de la ciudad de Lambayeque. 2. Recipiente. Prisma de vidrio transparente que sirve de soporte para ver en perfil la falla del suelo arenoso y arcilloso. 3. Zapata. Elemento estructural a escala para transmitir la carga al suelo. Sus dimensiones fueron de 6.0 cm de largo, 6 cm de alto y 4.5 cm de ancho.

7

Fig.4. Suelo arenoso con una capa de arcilla de baja plasticidad.

8

6.6.

PROCEDIMIENTO:

Se adquirió el material necesario para este ensayo, como es el caso del suelo y la pecera (comprándola) o fabricándolos como es el caso de la zapata a escala. 1. Se llena la primera capa de suelo con un espesor de aproximadamente de 0.3 c, a 0.5cm compactando sutilmente para simular un suelo de consistencia firme. 2. Se continuó con las demás capas alternando el tipo de color para la diferenciación hasta llegar a 22 estratos teniendo en cuenta que sea inferior a la altura del recipiente. 3. Al llenar todos los estratos, se colocó la zapata en el centro de los estratos y junto a la cara del recipiente para ver la deformación que produce. 4. Aplicamos la carga sobre la zapata que superó exitosamente la capacidad de carga del suelo generando un asentamiento y consigo la falla. 5. Se tomaron las fotografías correspondientes para señalar en los resultados el tipo de falla. 6. Retiramos el material del recipiente para realizar el ensayo por segunda y generar una falla notable para el informe.

6.7.

DESCRIPCIÓN DE RECOLECCIÓN DE DATOS:

En el caso de este experimento, los datos que obtendremos serán directos es decir que se aprecian a simple vista; mas no serán determinados con un proceso de cálculo.

9

7. RESULTADOS 7.1.

ANÁLISIS DESCRIPTIVO:

Los datos obtenidos del experimento solo fueron visuales es decir que se apreció a simple vista la forma de la falla, mas no se hizo ningún cálculo numérico.

SUELO SIN COMPACTAR

.

Fig. 5. Formación del triángulo de falla del suelo areno-arcilloso sin compactar. 1 0

Fig. 6. Falla del suelo debido a la aplicación de una fuerza sobre la zapata.

10

Fig. 7. Simulación de la falla del suelo debido a un pilote.

Fig. 8. Simulación del pilote, antes de ser introducido al suelo.

7.2.

ANÁLISIS INFERENCIAL:

1. El plano de falla, del suelo que se muestra se ha trazado siguiendo la discontinuidad de los estratos producto del sobresfuerzo producido por la carga, es notoriamente definido. 2. La superficie de deslizamiento es continua desde un borde de la cimentación hasta la superficie del terreno en el lado opuesto. 3. De la figura 6 se infiere que un suelo de consistencia densa falla por cortante general debido a la aplicación de una carga que sobrepasa la capacidad de carga del suelo. 4. también se insertó un bastidor que simula un pilote del cual se notó la deformación y corte del suelo. (Fig. 7) 5. Se ha elaborado la deformación superficial de suelo, la cual se ha medido en coordenadas correspondientes y se ha elaborado un diagrama de deformación superficial. TABLA 01 COORDENADAS MEDIDAS

X

Y -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0 0.05 0.1 0.2 0.2 0.21 0.3 0.25 0 0 0.21 0.3 0.5 0.5 0.6 0.5 0.4 0.32 0.2 0.05 0

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8. DISCUSIÓN 8.1.

DESCUBRIMIENTOS CENTRALES:

Al finalizar el experimento, se pudo comprobar que se puede crear diferentes ambientes controlados donde podemos simular distintos estratos con los cuales podemos llevar a cabo ensayos; y con éstos obtendremos resultados similares a los que nos proporcionará la naturaleza real de los suelos.

8.2.

LIMITACIONES:

Las limitaciones que se presentaron fue las dimensiones de la pecera, ausencia de una zapata más pesada es decir con más dimensión, así como también la ausencia de equipos modernizados para medir el grado de asentamiento ocasionado por la zapata y la carga aplicada, de esa forma poder realizar los cálculos respectivos.

8.3.

HALLAZGOS:

En este ensayo se trabajó con 2 suelos arcilla (color negro) y arena (color amarillo) para poder simular estratos también considerando escala, el hallazgo realizado es que cuando aplicamos una determinada fuerza que es transmitidas por una zapata en suelo areno-arcilloso; con respecto a la arcilla utilizada obtenemos una falla general.

9. CONCLUSIONES 1. Se percibe las líneas de falla por cortante general del suelo areno- arcilloso (fig. 6) 2. Se comprueba la Hipótesis sostenida. 3. Por efecto de la carga el primer estrato se levanta más próximo a la zapata, luego disminuye al bajar la influencia de la carga 4. Se comprueba que la falla por corte general se produce en suelos de consistencia densa. 5. El suelo que no tiene consistencia densa ocasionaría un mayor asentamiento.

10. REFERENCIAS 1. Braja M. Das (2001). Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. México, México. 2. THOMSON LEARNING

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11. APÉNDICE

Fig. 9. Muestras de suelo arcilloso de baja plasticidad.

Fig. 10. Encofrado de nuestra zapata a escala.

17

Fig. 11. Preparación y colocación de elementos a escala.

18

Fig. 12. Recipiente de vidrio en forma de pecera para el experimento, de dimensiones 20x20x40 cm.

19

Fig. 13 y Fig. 14. Llenado de recipiente de vidrio de las diferentes capas de suelo.

20

SUELO SIN COMPACTAR

Fig. 15. Resultado final de la deformación del suelo.

Fig. 16. Formación del triángulo de falla.

Fig. 17. Vista del asentamiento de la zapata

Fig. 18. Falla del suelo dividido en capas.

Fig. 19. Bastidor introducido en el suelo el cual simula un pilote.

Fig. 20. Falla del suelo

Fig. 21. Vista del pilote ya introducido

Fig. 22. Suelo arcilloso compactado dividido en capas, para que se pueda apreciar la falla de este.

12. RECONOCIMIENTOS A nuestros padres quienes a lo largo de toda nuestra vida nos han apoyado y motivado en nuestra formación académica, contentos de estar a punto de culminar nuestra etapa universitaria. A nuestro profesor del curso de MECÁNICA DE SUELOS III Y CIMENTACIONES el cual nos ha brindado todo el apoyo teórico y asesoramiento en la realización del proyecto de investigación.

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