• Author / Uploaded
• metalyon123

Citation preview

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

MECANICA DE SUELOS. CONCEPTO: Para definir, es recurrir al mismo Terzaghi, donde indica: La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas, independientemente de que tengan o no materia orgánica.

1.- PROBLEMAS DE LA MECANICA DE SUELOS PLANTEADOS A LA INGENIERIA CIVIL. 1.1.- CONCEPTO DE CIMENTACION: El terreno es la base sobre la que descansa todo el edificio o construcción, estas excavaciones presentas características que están normadas de acuerdo al tipo de obra y suelo, que luego es saturado por material de concreto, lo que se le llama cimientos. Lo más común es que tengan que construirse bajo tierra/subsuelo. La profundidad y la anchura de los mismos se determinan por

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

cálculos, de acuerdo con las características y los parámetros del terreno, el material de que se construyen y la carga que han de sostener/soportar. Las cimentaciones, consiste en el trazado de las líneas exteriores de los cimientos y de su eje, que es también de las paredes laterales que descansan sobre ellas. El eje se delinea para facilitar el replanteo de los cimientos sobre el terreno, el cual se utiliza como guía para apertura de las zanjas y/o calicatas. Las variantes que pueden darse en la representación de las paredes, solo parcial en los ángulos, por medio de tramados, etc. El ingeniero civil ha de enfrentarse con problemas planteados por el terreno. Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente debe poseer una cimentación adecuada. Otro problema común es cuando la superficie del terreno no es horizontal y existe una componente del peso que tiende a provocar el deslizamiento del suelo. Si a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos tangenciales debidos al peso o cualquier otra causa (como agua de filtración, peso de una estructura o de un terremoto) superan la resistencia al corte del suelo, se produce el deslizamiento de una parte del terreno. PARTES DE UNA ESTRUCTURA. En toda estructura se distingue dos partes principales: La superestructura. En el caso de edificios, es aquella parte de la estructura que está formada por losas, trabes, muros, columnas, etc. Y la Subestructura. Es la parte de la estructura que sirve para transmitir las cargas de estas al suelo de cimentación.

TIPOS DE CIMENTACION. Las cimentaciones se clasifican en dos grupos: Cimentaciones Directas. Es aquella en la cual los elementos verticales de la superestructura se prolongan hasta el terreno de cimentación, descansando directamente sobre el mediante el ensanchamiento de su sección transversal con el

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

fin de reducir el esfuerzo unitario que transmite al suelo. De este tipo son las zapatas aisladas, las zapatas conectadas, las zapatas ligadas, las cimentaciones por trabes y las losas de cimentación. Las cimentaciones Indirectas. Es aquella que se lleva a cabo por elementos intermedios como los pilotes, cilindros y cajones de cimentación. Ya que el suelo resistente se encuentra relativamente a gran profundidad.

Para elegir acertadamente el tipo de cimentación, es necesario seguir la siguiente indicación:

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

a)

Estudio de carga y de la compatibilidad entre el tipo de carga y las características del subsuelo (según tipo de estructura), llevando acabo análisis cuidadosos, lo mas cercano a la realidad. b) Determinación de la capacidad de carga del suelo de cimentación y de los asentamientos probables. c) Preparación de varios anteproyectos de los diferentes tipos posibles de cimentación. d) Selección del tipo de cimentación más adecuado, atendiendo a:  Tipo de subsuelo.  Rapidez en la construcción.  Adaptabilidad.  Economía. Algunos parámetros en función a los factores señalados: ESTUDIO DE LAS CARGAS: Es necesario apegarse al Reglamento de Obras Publicas de la localidad, para prever las contradicciones del proyectista, que puede generar algunos comentarios. Las cargas que gravitan sobre una estructura, se divide en: Cargas muertas, cargas vivas permanentes y cargas vivas accidentales. 1. Cargas muertas: Es la determinación del peso muerto de cada elemento de la superestructura, tales como losas, trabes, vigas, escaleras y columnas, ya que solo involucra el conocimiento del volumen de cada elemento y su multiplicación por el peso volumétrico del material con el cual esta hecho. 2. Cargas vivas permanentes: Los valores anotados en los Reglamentos de las oficinas de Obras Publicas Municipales, generalmente están en función del tipo de edificación. 3. Cargas vivas accidentales:  Viento (Movimiento Eólico): La presión del viento, se supone que actúa horizontalmente (PH)con la intensidad que fije el Reglamento del ligar. Se toma entre 70 y 100 Kg/m2. Para determinar la presión normal (P N) en Kg/m2 sobre techos inclinados se aplica la formula de Duchemin:

α = Angulo que la superficie de cubierta forma con la horizontal. PH = 0.0062V2, donde V = Velocidad del viento en Km/hr. Y P H es la presión horizontal en Kg/m2. El valor mínimo admisible para PN será de 40 kg/m2. Si α es menor de 5°, la fuerza del viento se toma como si ella fuera horizontal. No debe exceder el 70% del momento de estabilidad de una estructura, tomando en cuenta únicamente las cargas muertas.  Sismos: Para prevenir los daños sísmicos, se deben tomar en consideración: a.- Las uniones entre los diferentes elementos de una estructura deben calcularse de manera que resista tanto como los elementos que ligan. b.- Cada estructura deberá construirse de tal manera que durante un movimiento sísmico oscile como una sola unidad.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

Toda cimentación debe ser proyectada y construida de tal manera que con la estructura totalmente cargada, incluyendo cargas muertas y vivas permanentes y accidentales (pero no las del viento), los momentos que provoquen en las mismas las condiciones mas favorables satisfagan los siguientes requisitos: a. La estructura no deberá deslizar sobre el suelo. b. La estructura no deberá volcarse. c. La unión entre vigas de cimentación y los pilotes no deberán romperse. d. Ningún pilote soportara una carga mayor que la de trabajo especificada aumentada en 33%. e. El esfuerzo unitario sobre el suelo de cimentación en ningún punto excederá al esfuerzo admisible de trabajo mas de 33%. f. Los elementos de la cimentación, las uniones entre dichos elementos, la superestructura y la cimentación no deberán soportar esfuerzos mas alla de lo especificado en el reglamento: TAREA: 1. Que es la reducción de las cargas vivas. ( para un piso, 2, 3, 4,5, 6, 7 a mas pisos) 2. Que se entiende por distribución de cargas. 3. Como escoger la cimentación mas adecuada. 4. Que es la profundidad de desplante en las cimentaciones EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCION. SUELO: Es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de la desintegración y/o alteración física y/o química de las rocas y de los residuos de las actividades de los seres vivos que sobre ella se asientan. Nota: La clasificación de suelos según la AASHTO se utiliza en vías, y la clasificación de suelos según SUCS se utiliza para cimentaciones. PRINCIPALES TIPOS DE SUELOS: Diremos, los suelos inorgánicos como producto del intemperismo de las rocas permanece en el sitio donde se formo, dando origen a un suelo residual, en caso contrario, forman parte de un suelo transportado. Los suelos orgánicos, se forman casi siempre In-Situ, dando origen a humus o de materia no descompuesta, o en su estado de descomposición. Los restos de vegetación acuática llegan a formar verdaderos depósitos de gran espesor, conocido como turbas, de color oscuro o café oscuro. Algunos suelos más comunes:  Gravas: Varia desde 7.62 cm (3”) hasta 2.00 mm.  Arenas: Varia desde 2.00 mm y 0.05 mm de diámetro.  Limos: Comprende entre 0.05 y 0.005 mm.  Arcilla: Diámetro menor de 0.005 mm, coloidal y tiene la propiedad de volverse plástica al ser mezclado con el agua. Los minerales arcillosos más comunes se clasifican en tres grupos:

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

Estas arcillas presentan algunas características, como: Son plásticas, se contraen al secarse, presentan marcada cohesión según su humedad, son compresibles y al aplicárseles una carga en su superficie se comprimen lentamente. Este fenómeno se conoce como FIXOTROPIA y es de la naturaleza físico-químico. TAREA: Defina y que son los suelos. 1. Caliche. 2. Loess. 3. Diatomeas. 4. Gumbo 5. Tepetate. También se considera dentro los tipos de suelos, como: Suelos cohesivos y suelos no cohesivos: Los tipos de suelos es la cohesión, por ello se clasifica en:  Suelos cohesivos: Son los que poseen cohesión; es decir, la propiedad de atracción intermolecular, como las arcillas.  Suelos no cohesivos: Son los formados por partículas de rocas sin ninguna cementación, como las arenas, gravas, etc. La estructura del suelo puede ser natural (la del suelo “in situ”), como un talud, canal en tierra o artificial (suelo como material de construcción), como un terraplén o un relleno.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

Perfil del suelo (en geotecnia). El perfil geotécnico de describe con seis horizontes, del I en la base al VI en la superficie, pudiendo en ocasiones estar el perfil incompleto, por faltar en el algún horizonte.

Definiciones Saprolito: Suelo que mantiene la estructura de la roca madre. Regolito: Material suelto constituido por partículas de roca. Suelo residual: El que se forma sobre la roca madre (autóctono). Suelo transportado: El que se forma lejos de la roca madre (alóctono). Lixiviación: Remoción de material soluble del suelo por agua infiltrada. Humus: Residuo de la descomposición de tejidos orgánicos, que da el color al suelo. Relictos: Estructuras heredadas por el suelo, de la roca madre (diaclasas, etc.). Eluvión: Depósito in situ (autóctono). Origina talus y coluviones. Coluvión: Depósito de ladera; proviene de los movimientos masales (del talus). Aluvión: Depósito de corriente (alóctono). Subsidencia: Hundimiento por presencia de cavernas kársticas o fallas activas. Fixible: Que se exfolia, es decir, se separa en láminas delgadas. Abrasión: Efecto de lija sobre las rocas, producido por viento, olas, glaciares, ríos. Gelivación: Agrietamiento del suelo por acción del hielo. Factores de Formación y Evolución del Suelo (F.F.E.S.): Los factores de formación y evolución del suelo son cinco: Material Parental: Permeabilidad y constituyentes minerales de la roca madre. Tiempo: El clímax puede ser de decenas a miles de años. Por ejemplo siglos. Topografía: Pendientes, drenaje; orientación de la ladera y barreras topográficas. Formadores biológicos: Micro y macro fauna como fuente de humus. Clima: Temperatura, balance hídrico, intensidad de acción y velocidad de procesos.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y DE RETENCIÓN Los suelos, así como otros materiales tienen un ángulo de reposo propio; para lograr una pendiente mayor que la proporcionada por dicho ángulo se requiere de algún tipo de estructura de retención o soporte que evite el deslizamiento. Tratándose de muros de pequeña altura se utilizan muros convencionales, tales como los muros de gravedad, semi-gravedad, en voladizo, de contrafuertes, etc. Mientras que para alturas mayores se utilizan otras técnicas o tecnologías no tan convencionales, tales como muros anclados, apuntalamientos, muros Soil Nailing, entre otros. Que si bien algunas de estas estructuras retienen la masa de suelo CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE RETENCIÓN Las estructuras de retención se clasifican como: • Muros convencionales • Muros no convencionales o de aplicación reciente MUROS CONVENCIONALES Muros de gravedad Los muros de gravedad son los que generalmente tienen un perfil trapezoidal y dependen principalmente de su peso propio para asegurar la estabilidad; se hacen generalmente de concreto ciclópeo (combinación de concreto de cemento a baja resistencia y piedras grandes de tamaño no mayor de 30 centímetros) o aún de mampostería de piedra y no llevan ningún refuerzo. El muro debe proporcionarse de tal manera que no haya esfuerzo de tracción en ninguna de las secciones; son muros muy económicos para alturas bajas (hasta 3 ó 3.50 metros aproximadamente). Muros de semi-gravedad Los muros de semi-gravedad son un poco más esbeltos que los de gravedad porque toleran esfuerzos pequeños de tracción que se absorben con pequeñas cuantías de acero de refuerzo y que en general pueden resultar aún más económicos que los de gravedad para alturas de hasta 4 metros. Muros de voladizo Los muros de voladizo, son muros de concreto reforzado de tallo delgado y una losa de base. El perfil común de este tipo de muros es el de una T o una L y a veces son compuestos. Estos muros utilizan por lo menos parte del peso del relleno para asegurar la estabilidad; este es el tipo de muro que con mayor frecuencia se presenta en la práctica del calculista y su utilización resulta económica hasta alturas de hasta los 6 metros aproximadamente. Muros con contrafuertes Los muros con contrafuerte son de concreto reforzado y son los que están constituidos por placas o losas verticales delgadas que se apoyan sobre grandes voladizos espaciados en forma regular que

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

se denominan contrafuertes, los cuales reducen las fuerzas cortantes y los momentos flexionantes. Este tipo de muro es conveniente cuando las alturas por vencer son en general, mayores de 6 metros. En la figura. Se muestran algunos tipos de estructuras de retención convencionales. Fuente: Principios de ingeniería de cimentaciones Brajam Das, 2001.

MUROS NO CONVENCIONALES O DE RECIENTE APLICACIÓN Dentro de los diferentes métodos de retención de suelos recientes están: • Sistemas de anclajes activos en suelos • Método de Soil Nailing (Suelo Claveteado) • Tierra Armada • Apuntalamiento Gigante, etc. Estos métodos, como se mencionó anteriormente, se caracterizan por introducir en el terreno elementos de características especiales que trabajan a tensión para mejorar la resistencia al corte del mismo, tales como geomallas, columnas inyectadas, etc. Cuando dichos elementos de tensión se instalan al mismo tiempo que se construye una estructura térrea, por ejemplo en un terraplén, como ocurre en la técnica de la tierra armada, se pueden tener taludes más escarpados, e inclusive verticales.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

En cuanto a los sistemas anclados, los anclajes del terreno tanto en suelo como en roca, permiten resistir tensiones. Bajo este concepto los elementos que se introducen al terreno son generalmente metálicos o también de resina con fibra de vidrio. Pueden instalarse sin aplicarles un esfuerzo previo (anclas pasivas) o bien aplicándoselo, (anclas activas). Cuando son anclajes pasivos se habla del método Soil Nailing y cuando los elementos reforzantes son anclajes activos se habla del método de Muro Anclado. Estos métodos son adecuados en la estabilización de taludes y excavaciones, porque en ambos métodos los elementos estabilizadores desarrollan una adherencia con el terreno.

CONCEPTO DE MUROS ANCLADOS Los muros anclados son estructuras de gravedad, semi-gravedad o pantallas; que se sostienen mediante anclas pre-tensadas o pos-tensadas con bulbos profundos que transmiten una carga de tensión a suelos o rocas en los cuales pueden ser instalados.

PROBLEMAS: (VIBRACIONES, REGIONALES, ETC.)

EXPLORACIONES,

TERREMOTOS,

HELADAS,

HUNDIMIENTOS

ORIGEN Y CARACTERISTICAS DE LOS DEPOSITOS DE LOS SUELOS. 1.- EL CICLO DE LAS ROCAS – SUELOS. Es una serie de procesos geológicos por los cuales uno de los tres grande grupos de rocas se forma a partir de los otros dos. Este ciclo podría empezar con la generación de magma en el interior de la Tierra, donde las temperaturas y presiones son lo suficientemente altas como para fundir las rocas preexistentes. Esta actividad interna de la Tierra se la denomina el episodio plutónico.  Magma: Cualquier tipo de roca que, debido a las altas temperaturas, se funde en el interior de la corteza terrestre, originando nuevos magmas.  Rocas Ígneas: Dependiendo donde ocurra el enfriamiento, que puede ser:  Volcánicas: Si enfrían en el exterior, en la superficie.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

 Plutónicas: Si enfrían en el interior de la corteza terrestre, ya sea en el SIMA, SIAL, o en ambos.  Filonianas: Si cristaliza en grietas.  Sedimentos: En la superficie, cualquier tipo de roca esta sometida a un continuo proceso de alteración y desgaste, debido a los procesos de la meteorización y a los agentes de la erosión. El hielo, agua, viento, ayudados por la fuerza de la gravedad, están siempre transportando materiales, erosionándolos y depositándolos en los lugares mas bajos.  Rocas Sedimentarias: Las arcillas, arenas, gravas, restos de plantas y animales o precipitados químicos, se depositan continuamente en los lugares mas bajos, formando capas que llamamos estratos. Un conjunto de procesos denominados diagénesis (compactación, precipitación química de algún cemento, etc.) transforman los sedimentos.  Rocas Metamórficas: Cualquier roca cuando se somete a intensas presiones y temperatura sufre cambios en sus minerales y se transforma en un nuevo tipo de roca, como producto del metamorfismo.

2.- ROCAS IGNEAS, SEDIMENTARIA Y METAMORFICAS. 2.1.- ROCAS IGNEAS: (latín ignius, "fuego") se forman cuando el magma (roca fundida) se enfría y se solidifica. Si el enfriamiento se produce lentamente bajo la superficie se forman rocas con cristales grandes denominadas rocas plutónicas o intrusivas, mientras que si el enfriamiento se produce rápidamente sobre la superficie, por ejemplo, tras una erupción volcánica, se forman rocas con cristales invisibles conocidas como rocas volcánicas o extrusivas.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

Las texturas ígneas Las texturas están determinadas por las condiciones de cristalización del magma Las rocas ígneas pueden identificarse con las siguientes variedades de texturas: Texturas vítreas: formadas por el enfriamiento brusco del magma, no hay cristales identificables a ninguna escala. Texturas afanítica: los cristales sólo pueden ser identificados con ayuda del microscopio. Texturas fanerítica: los cristales se identifican a ojo desnudo. Texturas porfíricas: algunos minerales se presentan en forma de grandes cristales (fenocristales) embebidos en un conjunto de elementos de menor tamaño, también llamado matriz--, que puede incluso ser de naturaleza vítrea. La textura es un elemento de relevancia a la hora de identificar si el enfriamiento de una roca ha sido rápido (texturas vítreas y afanítica) o lento (textura fanerítica). La textura porfírica resulta de un cambio en la velocidad de enfriamiento. A un período muy lento, en el que crecen los fenocristales, sigue un período más rápido, que produce cristales más pequeños, o brusco, que genera una matriz vítrea. Durante la formación (o no) de caras perfectas de una roca intervienen factores tales como, el orden correlativo de cristalización de los distintos minerales y la velocidad de enfriamiento. Las caras de los cristales de una roca ígnea pueden haber alcanzado diferentes grados de desarrollo durante el proceso de cristalización: Euhedrales: Todas las caras del cristal son planas perfectas. Subhedrales: Cuando sólo algunas caras planas se han desarrollado. Anhedrales: Cuando los cristales carecen completamente de caras planas. Características texturales De los cinco tipos texturales básicos, las rocas ígneas pueden presentar texturas secuenciales, vítreas y clásticas. Las clásticas son exclusivas de las rocas volcánicas fragmentales, las vítreas de las rocas volcánicas lávicas y las secuenciales de las rocas plutónicas, subvolcánicas y volcánicas lávicas. Una vez establecido el patrón textural básico, hay que describir las características geométricas y morfológicas de los componentes. Estas se describen a continuación. Cristalinidad Proporciones relativas de vidrio y cristales. Los términos aplicables son los siguientes:  Holocristalina: Compuestas del 100% de cristales.  Holohialina: Compuestas del 100% de vidrio.  Hipocristalina, hipohialina o hialocristalina: Compuestas por proporciones variables de vidrio y cristales. Debe indicarse las proporciones relativas de ambos. Típicamente, las rocas holohialinas e hipohialinas son volcánicas, mientras que las holocristalinas son todas las plutónicas y subvolcánicas y parte de las volcánicas. Granularidad Tamaños absolutos y relativos de los cristales. Esta propiedad abarca tres tipos de conceptos distintos: a) Qué se puede distinguir o no de visu. En función de esto, se diferencian dos grandes grupos:  Faneríticas (generalmente > 0.1 mm): Todos los cristales y componentes pueden distinguirse de visu.  Afanítica (generalmente < 0.1 mm): No todos los cristales pueden distinguirse, ni siquiera con una lupa de mano, debiendo recurrir al microscopio. Existen dos subtipos, microcristalina, cuando los cristales son reconocibles al microscopio, y criptocristalina, cuando no lo son.

Ing° Elías Macrobio Espinoza Cárdenas.

Monografía de Mecánica de suelos.

b) Tamaños absolutos de los cristales y componentes. Se diferencian los siguientes tamaños:  Muy grueso: > 16 mm  Grueso: 16-4 mm  Medio: 4-1 mm  Fino: 1-0.1 mm  Muy fino: 0.1-0.01 mm  Ultra fino: