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PRINCIPIOS DE INGENIERIA DE CIMENTACIONES RESUMEN CAPIULOS UNO, DOS Y TRES

KEIRY RODRIGUEZ LAURA ESTEFANIA GUTIERREZ GUTIERREZ JOHAN FELIPE JIMENEZ CASTRO KARLA ISLENA SANTOS PINZON

ING. JUAN FERNANDO LOZANO

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA SEDE VILLAVICENCIO FACULTAD DE INGENIERIAS PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL CIMENTACIONES 2016

INTRODUCCIÓN

En este trabajo hacemos un resumen acerca de los tres primeros capítulos del libro principios de cimentaciones, donde se evidenciara las propiedades geotécnicas del suelo y del suelo reforzado, tales como la distribución del tamaño del grano, la plasticidad, la comprensibilidad y la resistencia por cortante, las cuales pueden ser determinadas por pruebas de laboratorio, en el segundo capítulo hacemos referencia a depósitos naturales del suelo y exploración del subsuelo donde es importante que un ingeniero deba conocer el tipo de depósitos del suelo, para que soporte adecuadamente una estructura, esto implica la evaluación de las condiciones del sitio y de los parámetros del suelo, por último en el tercer capítulo consiste en cimentaciones superficiales, capacidad de carga ultima; las cimentaciones superficiales deben cumplir con ciertos parámetros para que esta no sufra con desplazamientos excesivos y este segura contra una falla por corte del suelo.

OBJETIVOS

Conocer los diferentes estudios que debemos realizar a los suelos a usar teniendo las bases necesarias para saber qué tipo de cimentación a usar y garantizar la estabilidad de los proyectos.

Adquirir los conocimientos necesarios para el diseño y cálculo de cimentaciones y su comportamiento respecto a cargas puntuales y momentos.

PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DEL SUELO Y DEL SUELO REFORZADO.

Para el diseño de cimentaciones de estructuras tales como puentes, edificios y presas se requieren cuatro parámetros de vital importancia, entre los cuales tenemos: a. b. c. d.

La carga que será trasmitida por la estructura. El cumplimiento de la norma vigente. La relación Esfuerzo/Deformación del suelo que soportará el sistema. Las condiciones geológicas del suelo.

Los dos últimos factores se pueden definir como los más importantes para el ingeniero de cimentaciones ya que estos puntualizan las propiedades mecánicas del suelo como tal; propiedades como el tamaño del grano, la plasticidad, la compresibilidad y la resistencia por cortante del suelo se pueden se obtienen por medio de pruebas de laboratorio, actualmente se ha hecho énfasis en que las muestras sean in situ es decir en el sitio así de esta forma evitar la alteración de las mismas, aunque no en todos los casos pueda llevarse a cabo. Para estimar a exactitud de ciertas propiedades de la muestra se pueden suponer, pero bien supuestas, sabiendo que no todos los suelos donde se construyen cimentaciones son homogéneos en su mayoría. Las cimentaciones en los suelos pueden clasificarse en dos categorías: 1. Superficiales: podemos encontrar las zapatas aisladas, las zapatas para muros y las cimentaciones a base de losas corridas; en su mayoría puede ser igual o menor a 3 o 4 veces el ancho de la cimentación. 2. Profundas: podemos encontrar los pilotes hincados y los pilotes perforados; estas se usan cuando las capas superiores del terreno tienen poca capacidad de apoyo o carga o cuando los usos de cimentaciones superficiales pueden causar un daño estructural considerable y/o problemas de estabilidad. Recientemente aumentó el uso de esfuerzos en el suelo para la construcción y diseño de cimentaciones, muros de contención, taludes de terraplenes y otras

estructuras, dependiendo de la construcción el refuerzo es mediante tiras metálicas galvanizadas, geotextiles, georrejillas y geocompuestos. DISTRIBUCIÓN GRANULOMETRICA En cualquier masa de suelos, los tamaños de los granos varían para realizar una clasificación se debe conocer su distribución granulométrica la cual se determina para grano grueso generalmente es por medio de análisis granulométrico por malla y para suelo fino puede obtenerse por medio de análisis granulométrico con el hidrómetro. El análisis granulométrico por mallas se lleva acabo tomando una cantidad medida de suelos seco, pulverizado y pasándolo a través de una serie de mallas que se van haciendo cada vez más pequeñas y con una charola en el fondo. La cantidad de suelo retenido en cada malla se mide y el porciento acumulado de suelo que pasa a través de cada malla es determinado y generalmente denominado como el porcentaje pasa; el porcentaje que pasa por cada malla, se grafica obre papel semilogarítmico.

En las curvas granulométricas de suelos de grano grueso se pueden determinar dos parámetros: 1. El coeficiente de uniformidad

Cu

2. El coeficiente de curvatura

Los parámetros

Cu

y

Cz

Cz

se utilizan en el sistema unificado de clasificación de

suelos. El análisis granulométrico con el hidrómetro se basa en el principio de la sedimentación de las partículas de suelo en agua, para esta prueba se toman 50 gramos de suelo seco, pulverizado y un aditivo 125 cc de solución al 4% de exametafosfato de sodio; se deja que el suelo se sature por lo menos 16 horas en el aditivo, después del proceso de saturación se agrega agua destilada y la mezcla suelo-agente aditivo es agitada, la muestra se transfiere a una probeta de 1000 ml, se agrega más agua destilada a la probeta hasta la marca de 1000 ml y luego la mezcla es agitada. Un hidrómetro se coloca dentro de la probeta para medir generalmente en un periodo de 24 horas. El hidrómetro esta calibrado para medir la cantidad de suelo que aún está suspendido en cualquier tiempo dado, el diámetro de esas partículas en suspensión se determina por medio de la ley de Stokes.

Dónde: D=diámetro de la partículade suelo s=¿ peso especifico del los solidos del suelo G¿ n=viscosidad del agua

γ w = peso especifico del agua L=¿

longitud efectiva (es decir, longitud medida de la superficie del agua en la

probeta al centro de gravedad del hidrómetro.) t=t iempo

Los límites de tamaños recomendados en el sistema de la American Association of State Highway and Transportation Officials (ASSHTO) y en el sistema Unified Soil Classification muestra que las partículas de suelo más pequeñas que 0.002 mm son clasificadas como arcilla.

En las relaciones peso/volumen encontramos tres sistemas de fases que consisten en particulas de suelo sólidas, agua y aire (o gas). Con base a esto podemos definir que: 

La relacion de vacios, es la relación del volumen de vacios entre volumen de sólidos de suelo en una masa dada. e=

Vv Vs



La porosidad, es la relación del volumen de vacíos entre el volumen de la muestra. V n= v V



El grado se saturación, es la relación del volumen de agua en los espacios vacíos entre el volumen de vacios. S ()=

Vw ×100 Vs



Contenido de agua W w ( )= w ×100 Ws



Peso específico húmedo W γ= V



Peso específico seco γ W d=

s

V

Cuando una masa de suelo está saturada, es decir todo el volumen de vacos está lleno de agua, el peso específico húmedo de un suelo resulta igual al peso específico saturado.



El peso específico saturado

En la mayoría de los suelos no cohesivos, la relación de vacíos varía entre 0.4 y 0.8. Los pesos específicos secos en esos suelos caen generalmente dentro de un rango de aproximadamente 90 a 120 lb/ft^3. En los suelos granulares, el grado de compactación en el campo puede medirse de acuerdo a la compacidad relativa que se define como

 En las siguientes tablas podemos encontrar diferentes relaciones para los pesos específicos húmedos, secos, saturados.

 Pesos específicos de solidos de algunos suelos.

 Relación de vacíos, contenido de agua y peso específico seco, típicos para algunos suelos.

Los valores de

e max

se determinan en laboratorio de acuerdo con los

procedimientos establecidos en las Normas ASTM c; la densidad relativa puede también expresarse en términos del peso específico

.

LÍMITES DE ATTERBERG Cuando un suelo arcilloso se mezcla con una cantidad de agua excesiva, éste puede fluir como un semilíquido. Si el suelo es secado gradualmente, se comportará como un material plástico, semisólido o sólido, dependiendo de su contenido de agua. Éste, en por ciento, con el que el suelo cambia de un estado líquido a un estado plástico se define como límite líquido (LL) de un suelo es determinado por medio de la copa de Casagrande y se define como el contenido de agua con el que cierra la ranura mediante 25 golpes. Igualmente, los contenidos de agua, en por ciento, con el que el suelo cambia de un estado plástico a un semisólido y de un semisólido a un sólido se define como el límite plástico (PL) se define como el contenido de agua con el cual el suelo se agrieta al formarse un rollito y el límite de contracción (SL) se define como contenido de agua con el cual el suelo no sufre ningún cambio adiciona de volumen con la perdida de agua, respectivamente.

La diferencia entre el límite líquido y el plástico de un suelo se define como índice de plasticidad (PI)

Los límites de Atterberg pueden variar dependiendo el origen del suelo y de la naturaleza y cantidad de minerales arcillosos; algunos de los valores típicos de límites líquido y plástico los podemos encontrar

SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS Los sistemas de clasificación de suelos dividen a estos en grupos y subgrupos en base a propiedades ingenieriles comunes tales como la distribución granulométrica, límite líquido y el límite plástico los dos sistemas de clasificación en uso son 1. Sistema AASHTO, 2. Sistema ASTM. Según el sistema AASHTO los suelos pueden clasificarse en ocho grupos principales del A-1 al A-8, en base a su distribución granulométrica, limite liquido e índice de plasticidad; los suelos de grano grueso los encontramos comprendidos en los grupos A-1, A-2, A-3, los de grano fino en los A-4, A-5, A-6, A-7 y el lodo y otros suelos altamente orgánicos en el A-8. Este sistema se usa principalmente para clasificación de las capas de carreteas, no se usa en la construcción de cimentaciones.

La ecuación para el índice de grupo es:

Al calcular el índice de grupo para un suelo de los grupos A-2-6 o A-2-7, use sólo la ecuación de índice de grupo parcial relativa al índice de plasticidad. El índice de grupo es redondeado al número entero más cercano y se escribe al lado del grupo de suelo en paréntesis.

Según el sistema UNIFICADO



Nombres de grupos para suelos de grano grueso



Nombres de grupos para suelos de grano fino



Nombres de grupos para suelos orgánicos.

PERMEABILIDAD HIDRÁULICA DEL SUELO Los espacios vacíos o poros entre los granos del suelo permiten que el agua fluya a través de ellos. Se debe tener conocimiento de cuánta agua fluye a través del suelo en un tiempo unitario; este conocimiento se requiere para el diseño de presas de tierra, determinar la cantidad de infiltración bajo estructuras hidráulicas y para desaguar antes y durante la construcción de cimentaciones. Dary propuso esta ecuación, para calcular la velocidad de flujo de agua a través de un suelo.

El gradiente hidráulico i se define como

La ley de Darcy es válida para un amplio rango de suelos. Sin embargo, con materiales como grava limpia y en un pedraplén de tamaño uniforme, ésta ley no funciona debido a la naturaleza turbulenta del flujo a través de ellos, el valor de la permeabilidad hidráulica varía considerablemente. En el laboratorio, tal valor puede determinarse por medio de pruebas de permeabilidad con carga constante o carga variable.

En suelos arcillosos, la permeabilidad hidráulica para flujos en direcciones vertical y horizontal puede variar considerablemente. La permeabilidad hidráulica para k flujo en la dirección vertical ( v ) para suelos in situ puede estimarse para depósitos marinos y otros depósitos arcillosos masivos. 

Variación in situ para suelos arcillosos

Filtración en condiciones de régimen establecido

En la mayoria de los casos de filtración bajo estructuras hidraulicas, la trayectoria de flujo cambia de dirección y no es uniforme sobre toda el área. En esos casos una forma de determinar la filtración es mediante una construcción grafica llamada red de flujo, basada en la teoria de la continuidad de Laplace, según esta el flojo en cualquier punto A puede representarse por la ecuación

Si el suelo es isótropo con respecto a la permeabilidad hidráulica

k x =k z=k ,

Una red de flujo es una combinación de numerosas líneas equipotenciales y líneas de flujo. Una línea de flujo es una trayectoria que una partícula de agua seguiría al viajar del lado aguas arriba al lado aguas abajo.

CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE FILTROS

La erosión es generalmente prevenida construyendo zonas de suelo llamadas filtros, dos factores principales que influyen al seleccionar el material de un filtro: la granulometria para el mateial del filtro debe ser tal que el suelo po proteger no sea lavado hacia el filtro y que no se genera una carga de presion hidrostratica excesiva en el suelo con un coeficiente inferior de permeabilidad. CONCEPTO DE ESFUERZO EFECTIVO

Nore que el esfuerzo efectivo es una cantidad detuvada, ademoas como

γ

esta

relcionado con el contacto entre los solidos del suelos, sus cambios inducirán variaciones de volumen, tambien es responsable de producir resistencia friccional en suelos y rocas.

CONSOLIDACION

TASA DE CONSOLIDACIÓN

a. En algunos casos, el exceso inicial de la presión de poro del agua puede no ser constante con la profundidad, se dan algunos casos y las soluciones para el grado promedio de consolidación. Resistencia al corte.

Términos del esfuerzo efectivo

C = Cohesión, cohesión aparente = Esfuerzo normal efectivo en el plano del corte. = Angulo de friccion. La ecuacion anterior se conoce como el criterio de falla de Mohr- Coulomb, El valor de C para arenas y arcillas normalmente consolidadas es igal a cero, para arcillas sobre consolidadas, c > 0. Existen dos pruebas estrandar de laboratorio, ellas son, la prueba de corte directo y la prueba triaxial. Prueba de corte directo La arena se coloca en una caja de corte divida en dos. Primero se ejerce una fuerza normal a la muestra. Luego se le aplica una fuerza de corte a la mitad superior de la caja para generar la falla en la arena, en la siguiente imagen se

puede

observar

los

esfuerzos

normal

y

cortante

en

la

falla.

a) Diagrama del equipo de prueba. b) Diagrama de resultados de la prueba al obtener el ángulo de fricción.

Donde A= es el área del plano de falla en el suelo Varias pruebas se realizaron variando la carga normal. El ángulo de fricción de la arena puede determinarse trazando una gráfica de s contra para arena seca).

(=

Para las arenas el angulo de friccion oscila entre 26º y 45º aumentando con la compactación. El rango aproximado de la compacidad relativa de compactación y el correspondiente del ángulo de fricción para varios suelos de grano grueso

Pruebas triaxiales Se realizan en arenas y arcillas, esta consiste esencialmente en colocar una muestra del suelo dentro de una membrana de hule en una cama de Lucita transparente. Se implica una presión de confinamiento

Pruebas triaxiales en arcillas saturadas. Consolidada denada. Paso 1 Aplique la presion de la camara, 3. Permita el drenaje total , de manera que la presion de poro del agua ( u=Ua) desarrollada sea cero. Paso 2 Aplique esfuerzo desviador, lentamente permita el drenaje de manera que la presion de poro de agua ( u = u d) desarrolada al aplicar Δ = Δ del agua uf=ua+ud= 0.

f

presion de poro

Consolidada no drenada Paso 1 Aplique la presion de camara, 3. Permita un drenaje total, de manera que la presion de poro del agua (u=Ua) desarrollada sea cero. Paso 2.

Aplique el esfuerzo desviador Δ no permita el drenaje (u = u d ≠ 0) en la falla Δ = Δ

f

presion de poro del agua u=uf =ua+ud= 0+ud(f).

No consolidada no drenada Paso 1 Aplique la presion de camara

3,

no permita el drenaje, de manera que la presion

de poro del agua (u=Ua) desarrollada al aplicar

3

no sea cero.

Paso 2. Aplique el esfuerzo desviador Δ Δ

f

no permita el drenaje (u = u d ≠ 0, en la falla Δ =

, presion de poro del agua u= ua+ ud(f).

En pruebas consolidadas no drenadas, en la falla, Esfuerzo total principa mayor =

3+

Esfuerzo total principal menor=

3

Esfuerzo efectivo principal mayor= (

Δ

f

3+

=

1

Δ f)- uf=

3

Cambiando se pueden efectuar multiples pruebas de este tipo en varias 3 muestras de suelo. Luego se dibujan los circulos de Mohr para los esfuerzos totales en la falla, la envolvente de falla se define por la siguiente ecuacion.

Donde

y

respectivamente (

son la cohesion consolidada no drenada y el agunlo de friccion, = 0 para arcillas normalmente consolidadas.)

Para pruebas triaxiales no consolidadas no drenadas,

Esfuerzo total principal mayor =( Esfuerzo total principal menor=

3+

Δ f)=

1

3

Luego se dibuja el circulo de Mohr para esfuerzo total en la falla, para arcillas saturadas el valor de

1

-

3 =

de confinamiento en la camara

Δ

f

es una constante independiente de la presion

3

La tangente a esos circulos de Mohr sera una linea horizontal llamada condicion

= 0. El esfuerzo de corte para esta condicion es

Donde Cu= Cohesion no drenada ( o resistencia al corte no drenada) La presion de poro desarrollada en la muestra de suelo durante la prueba triaxial no consolidada no drenada es U= ua+ud La presion de poro ua es la presion hidrostatica de la camara

3,

por consiguiente

Donde B = parametro de presion de poro de Skempton El parametro de poro Ud es el resultado del esfuerzo axial adicional Δ , por lo que

Donde A= parametro de presion de poro de Skempton. Sin embargo

Δ =

-

1

3

Combinando las ecuaciones se obtiene

El parametro B de presion de poro en suelos suaves saturados es 1, por lo que

El valor del parametro A de presion de poro del agua en la falla variara con el tipo de suelo. En el siguiente cuadro se muestra el rango general de valores de A en la falla para varios tipos de suelos arcillosos.

Prueba de compresion simple Es un tipo especial de prueba triaxial no consolidada y no drenada en la que presion de confinamiento

3

= 0. En esta prueba se aplica un esfuerzo axial Δ

al

especimen para generar la falla es decir (Δ = Δ f) Esfuerzo total principal mayor = Δ f= qu Esfuerzo total principal menor = 0 Al esfuerzo axial en la falla Δ f= qu se le denomina resistencia a compresion simple.

Arcillas saturadas bajo la condicion

= 0.

La resistencia a compresion simple se usa como indicador de la consistencia de las arcillas.

Los experimentos de compresion simple aveces se efectuan en suelos no saturados. Manteniendo constante la relacion de vacios de un especimen de suelo, la resistencia a compresion simple disminuye rapidamente con el grado de saturacion. Parametros de la resistencia al corte Angulo de friccion drenado de suelos granulares El ensayo de corte directo proporciona un mayor angulo de friccion que el obtenido con ensaye triaxial. Cabe señalar que la envolvente de falla para un suelo dado en realidad una linea curva. El criterio de falla de Mohr- Coulomb definido por la ecuacion es una aproximacion, debido al carácter curvo de la envolvente de falla, un suelo probado con esfuerzo normalmente alto dara un menor valor de Angulo de friccion drenado de suelos cohesivos.

.

En general el angulo de friccion

decrece al amunetar el indice de plasticidad. El

valor de disminuye por lo general de 37° a 38° con un índice de plasticidad de aproximadamente 10, a cerca de 25° o menos con un dice de plasticidad de aproximadamente 100. El ángulo de fricción consolidado no drenado de arcillas saturadas normalmente consolidadas varia generalmente entre 5° y 20°.

Esfuerzo principal mayor Esfuerzo principal menor: Para la resistencoa ultima puede demostrarse que

Donde

= angulo de friccion drenado residual.

Muestra la naturaleza general de las envolventes de falla bajo maxima resistencia y resistencia ultima ultima. La resistencia cortante residual de arcillas es importante en la evaluacion de la estabilidad a largo plazo de pendientes nuevas y existentes y para el diseño de medidas correctivas. Los angulos de friccion ( ) drenados residuales de arcillas pueden ser considarblemente menores.

Los angulos de friccion drenados maximos la figura 1.42 muestra la variacion de con el limite liquido para algunas arcillas. Es importante nortar que

1) Para una arcilla dada, disminuye con el aumento del limite liquido 2) Para un limite liquido dado y fracciones de tamaño arcilloso presentes en el suelo, la magnitud de decrece con el aumento del esfuerzo normal efectivo, debido a la naturaleza curvilea de la envolvente falla. Sensitividad Para mucho suelos arcillosos depositados en forma natural, la resistencia a compresion simple es mucho menor cuando los suelos son probados despues de ser remoldeados sin ningun cambio en el contenido de humedad.

Variacion de cu/p con el indice de liquidez El grado de sensitividad es la proporcion de la resistencia a compresion simple en estado inalterado entre la del estado remoldeado

La tasa de sensibilidad de la maoria de las arcillas varia entre 1 y 8; sin embargo depositos marinos altamente floculentos pueden llegar a tener valores entre 10 y 80. Refuerzo del suelo: Generalidades La tierra armada es un material de construccion que comprende un suelo reforzado por elementos a tension como baras o tiras metalicas, tejidos biodegradables ( geotextiles), geomallas y otros elementos similares.

Consideraciones para el refuerzo del suelo Tiras metalicas La mayoria de los casos se usan tiras de acero galvanizados como refuerzo en el suelo, pero dicho material es susceptible a la corrosion, la rapidez promedio de la corrosion de tiras de acero galvanizado varia entre 0.025 y 0.050 mm/año, se debe tener en cuenta Tc= tdiseño + r ( tiempo de vida de la estructura) Donde tc= espesor real de las tiras de refuerzo tdsieño= Espesor de las tiras determinado por los calculos de diseño. r= rapidez de la corrosion Tejidos no biodegradables Los tejidos se fabrican generalmente a base de derivados del petroleo, tales como poliester, lietileno y polipropileno, pero pueden elaborarse tambien a bases de fribras de vidrio. Los geotextiles no trenzados se forman con filamentos o fibras cortas dispuestas según un patron orientado o al azar en una estructura plana. Luego son unidos por uno o varios de los siguientes procesos: 1. Union quimica; por medio de pegamento, hule, latex, derivados de celulosa, y otros mas 2. Union termica: por medio de calor para la fusion parcial de los filamentos. 3. Union mecanica: mediante costura de aguja. Los geotextiles tienen cuatro usos principales en la ingenieria de cimentaciones, 1. Drenaje : Los tejidos pueden canalizar rapidamente el agua del suelo, generando resistencia y estabilidad 2. Filtracion : El tejido permite la libre filtracion de agua de una capa hacia la otra , protege al suelo de grano fino der arrastrado hacia el suelo de grano grueso. 3. Separacion: Los geotextiles ayudan a matener separadas las diversas capas del suelo despues de la construcion y durante el periodo de servicio planeado para la estructura.

4. Refuerzo: La resistencia a la tension de los geotejidos incrementa la capacidad de apoyo del suelo. Geomallas Son materiales polimetricos de alto modulo, tales como el polipropileno y el polietileno y son separadas por estirado. La funcion principal de las geomallas es el refuerzo y son materiales relativamente rigidos en forma de red con frandes espacios llamados aberturas, Esos son suficientemente grandes para permitir la trabazon con el suelo o roca que las rodea para efectuar las funciones de esfuerzo. Las geomallas son generalmente de dos tipos (a) biaxiales y (b) uniaxiales. Las rejillas uniaxiales tensar son fabricadas mediante el estirado de una lamina perforada de polietileno extruido de alta densidad en una direccion bajo ciertas condiciones cuidadosamente controladas. La rejillas biaxiales tensar se fabrican estirando la lamina perforada de polipropileno en dos direcciones ortogonales. Sus dimensiones mas comerciales son de aproximadamente 0.02 a 0.06 pulg (0.5 a 1.5 mm)

Origen del suelo La mayoria de los suelos que cubren la tierra estan formados por el intemperismo de varias rocas. Exiten dos tipos generales de intermperismo El intermperismo mecanico es el proceso por el cual las rocas se fracturan en piezas de menor tamaño bajo accion de fuerzas fisicas. El intemperismo quimico es el proceso de descomposicion quimica de la roca original.

Según sea el agente de transporte, los suelos transportados peuden subdividirse en tres categorias principales: 1. Aluviales o fluviales: son depositados por corrientes de agua 2. Glaciales: Depositados por la accion de los glaciares 3. Eolicos: Depositados por la accion del viento. Suelo residual Los depositos del suelo residual son comunes en los tropicos. La naturaleza de un deposito de suelo residual dependera generalmente de la roca madre. Cuando las rocas duras como el granito y el gneis sufren intemperismo, la mayor parte de los materiales tienden a permanecer en ese sitio. Esos depositos de suelo tienen generalmente la capa superior de material arcilloso o de arcilla limosa debajo se encuentran generalmente una capa de roca parcialmente intemperizada y luego una de roca sana. La profunidad de la roca sana puede variar ampliamente, aun dentro de una distancia de unos pocos metros. A diferencia con las rocas duras, algunas rocas quimicas como la caliza, estan hechas principalmente de mineral de calcio ( CaCO 3)2. Esas rocas tienen grandes cantidades de materiales solubles algunos de los cuales son removidos por el agua freatica, dejando atrás la fraccion insoluble de la roca. Depositos aluviales Los depositos del suelo aluvial son generados por la accion de corrientes de agua y rios, se dividen en dos categorias principales (1) depositos de corrientes interconectadas y (2) depositos causados por el serpenteo meandrico de corrientes.

Depositos de corrientes interconectadas Son de rapido flujo y alto gradiente. Son altamente erosivas y arrastran grandes cantidades de sedimentos. Los depositos formados por corrientes interconectadas son muy irregulares en su estratificacion. Sus caracteristicas comunes son: 1) Los tamaños de los granos varian generalmente entre los de grava y limos. 2) Aunque el tamaño de los granos varia ampliamente, el suelo en una lente o bolson dado es bastante uniforme. 3) En cualquier profundidad, la relacion de vacios y el peso unitario pueden variar enormemente dentro de una distancia lateral de solo unos pocos metros.

Depositos de cinturones meandricos La palabra meandro significa curvas. Las corriente maduras corren en un valle describiendo una gran cantidad de curvas. El piso de un valle en que se mueve un rio en tal forma se denomina cinturon meandrico. En un rio meandrico, el suelo de sus orillas es continuamente erosionado donde es concavo y es depositado en los puntos en que el borde es convexo. Durante las grandes avenidas, los rios se desbordan inundando zonas de bajo nivel. La arena y las particulas de tamaño de limo arrastradas por el rio son depositadas a lo largo de las orillas formando lineas conocidas como bordos naturales.

Depositos Glaciares Las caracteristicas de estos depositos varian de glaciar a glaciar. Las formas de terrenos que se desarrolan a partir de estos depositos no estratificados de tilita se llaman morrenas. Una morrena terminal es una cresta que marca el limite maximo del avance de un glaciar. Ellas son el resultado de la estabilizacion temporar del glaciar durante el periodo recesional. La arena, limo y grava arrastrada por el agua derretida del frente de un glaciar se llaman materiales de fusion. Depositos eolicos de suelos El viento es tambien un agente importante de tranposrte que conduce a la formacion de depositos de suelos. Cuando grandes areas de arena se encuentran expuestas, el viento puede desplazarlas y redepositarlas en algun otro lugar. Los depositos de arena desplazada toman generalmente la forma de dunas. Las propiedades tipicas de las dunas de arena: 1. La granulometria de la arena en cualquier localidad particular es soprendentemente uniforme 2. El tamaño general del grando decrece con la distancia desde la fuente debido a que el viento arrastra particulas pequeñas mas lejos que a las grandes. 3. La compacidad relativa de la arena depositada sobre el lado de expuesto al viento de las dunas es de 50 y 65% y decrece a valores de entre 0 y 15%.

Suelo orgánico Los suelos organicos se encuentran generalmente en regiones de poca altura, donde el nivel freatico esta cerca o por arriba de la superficie del terreno. Entre sus caracteristicas estan: 1. El contenido de agua natural que puede variar entre 200 y 300% 2. Son altamente comprensibles 3. Pruebas de laboratorio muestran que, bajo cargas, un gran porcentaje del asentamiento en ellos se deriva de la consolidacion secundaria. Exploracion subsuperficial Proposito de la exporacion del suelo El proceso de identificar las capas o estratos de depositos que subyacen bajo una estrucutra propuesta. Su proposito es obtener informacion que ayude al ingeniero geotecnico en: 1. Seleccionar el tipo de profundidad de la cimentacion adecuada para una estructura dada 2. Evaluar la capacidad de carga de la cimentacion 3. Estimar el asentamiento probable de una estructura 4. Detectar problemas potenciales de la cimentacion 5. Dterminar la localizacion del nivel freatico 6. Predecir el empuje lateral de tierra en estructuras como muros de retencion. 7. Establecer metodos de construccion para condiciones cambiantes del subsuelo. Programa de exploración de subsuelo Recolección de información preliminar Una idea general de la topografía y del tipo de suelo que se encontrara cerca y alrededor del sitio propuesto se obtiene de las siguientes fuentes. 1. Mapas de levantamientos geológicos de Estados unidos 2 Mapas de levantamiento geológicos del gobierno estatal 3 Reportes de suelos del condado del servicio de conservacion de suelos del departamento de agricultura de estados unidos. 4 Mapas agronomicos publicados por los departamentos de Agricultura de varios estados.

5 Informacion hidrologica publicada por el cuerpo de ingenieros. 6 Manuales sobre suelos de los departamentos de caminos publicos por varios estados. Reconocimiento El ingeniero debe siempre hacer una inspeccion visual del sitio para obtener informacion sobre: 1. la tropografia general del sitio, la posible existencia de canales de drenaje tiraderos de basura y otros materiales. 2. Estratificacion del suelo en cortes profundos, como los que se realizan para la construccion de carreteras y vias ferreas cercanas 3. Tipo de vegetacion en el sitio, que indique la naturaleza del suelo. 4. Huellas de niveles altos de agua en edificios y en estribos de puentes cercanos 5. Niveles del agua freatica, que son determinados por observacion de pozos cercanos. 6. Tipos de construcciones vecinas y existencia de grietas en muros u otros problemas. Procedimientos para muestreo del suelo Dos tipos de muestras de suelo se obtienen durante una exploracion del subsuelo: alteradas e inalteradas. Las muestras alteradas pero representativas son generalmente usadas para los siguientes tipos de pruebas de laboratorio: 1. 2. 3. 4. 5.

Analisis granulometrico Determinacion de los limites liquido y plastico Peso especifico de los solidos del suelo Determinacion del contenido organico Clasificacion del suelo

Procedimientos para muestreo del suelo Las muestras alteradas pero representativas son generalmente usadas para los siguiente tipos de pruebas de laboratorio: 1. 2. 3. 4. 5.

Analisis granulometrico Determinacion de los limites liquido y plastico Peso especifico de los solidos del suelo Determinacion del contenido organico Clasificacion del suelo

Muestreo con muestreador de media caña Se usan en el campo para obtener muestras de suelo que estan generalmente alteradas pero son aun representativas , consiste en una zapata de hincado de acero un tubo de acero dividido longitudinalmente en dos y un cople en su parte superior. El grado de alteracion de un muestra de suelo es usualmente expresado como

Donde AR= Relacion de areas Do= Diametro exterior del tubo muestreador Di= Diametro interior del tubo muestreador Cucharon rascador Los suelos que estan constituidos por arena mezclada con guijarros, la obtension de muestras por medio de (media caña) con un extractor de nucelos de manantial no es posible debido a que los preduscos impiden que los resortes se cierren. Tubo de pared delgada Son llamados tubos shelby, estan hechos de acero sin costura y se usan comunmente para obtener suelos arcillosos inalterados.

Muestreador de piston Cuando las muestras inalteradas del suelo son muy blandas o mayores que 76.2mm de diametro, tienden a salirse del muestreador, estos son particularmente utiles bajo tales condiciones existen varios tipos pero el mas util consiste en un tubo de pared delgada con un piston. Inicialmente el piston cierra el extremo del tuo de pared delgada, la presencia del piston impide impide la distorsion de la

muestra al no dejar que el suelo se aplaste muy rapidamente en el tubo muestreador al no admitir el suelo adicional. Cuando se obtienen muestras de suelos muy blandas, son preferiblemente usadas con el MUESTREADOR DE PISTÓN, que consiste en un tubo hidráulico y con el pistón impide distorsión en la muestra y como resultado obtenemos muestras menos alteradas que las obtenidas por el tubo Shelby.

Muestreador de pistón. Imagen

NIVELES DE AGUA FREATICA La presencia de agua freática cerca de la cimentación afecta considerablemente la capacidad de carga y asentamiento de esta, además se tiene en cuenta un nivel máximo y mínimo sabiendo que el nivel del agua cambia con las estaciones. En un barrero con alta permeabilidad después de 24 horas de la perforación se mide con una cinta, en suelos altamente impermeables se usa un piezómetro y para los suelos limosos se utiliza la técnica de hvorslev. Durante la operación de barrenado para determinar la resistencia cortante no drenada se usa LA PRUEBA DE CORTE CON VELITA en suelos arcillosos.

Son moderadamente rápidas y económicas y se usan ampliamente en programas de exploración de suelos de campo da buenas pruebas de campo y son excelentes para determinar las propiedades de arcillas sensitivas.

La PRUEBA DE PENETRACION DEL CONO es un metodo versatil de sondeo usado para determinar los materiales en un perfil de suelo y estimar sus propiedades ingenieriles, no son necesarios los barretos para llevarla a cabo. Miden la resistencia del cono, la penetracion desarrollada por el cono y la resistencia por el cono, podemos encontrar penetrometro de cono de friccion mecanica y penetrometro de cono de friccion electrico.

Para medir la resistencia y deformabilidad de un suelo se usa la PRUEBA DE PRESURIMETRO, los resultados de la prueba del presurimetro se expresan en una forma gráfica de presión vs volumen, se realiza a través de tres celdas y se conduce a través de un agujero perforado de antemano, las celdas se expanden por medio de un líquido para reducir el efecto de la condición de extremo sobre la celda de medición.

La prueba del DILATOMETRO consiste esencialmente en una placa, Una membrana de acero, El dilatómetro se inserta en el terreno usando un aparejo de la prueba de penetración de cono. Ductos de gas y eléctricos se extienden desde la caja de control en la superficie hasta la hoja a través del vástago del penetrómetro. A la profundidad requerida, se usa gas nitrógeno a alta presión para inflar la membrana.

EXTRACCION DE NUCLEOS DE ROCA Cuando se halla un estrato de roca durante una perforación, es necesario efectuar una extracción de núcleos de la misma, para lo cual un barril de extracción de núcleos se une a la barra perforadora. Se dispone de dos tipos de barriles para tubos simples y para tubos dobles, cuando las muestras se recuperan la profundidad debe ser registrada para su evaluación en el laboratorio.

Relación de recuperación =

longitud de nucleo recuperado longitud teorica de nucleorecortado

PREPARACIÓN DE REGISTROS DE PERFORACIÓN Se le llama a la información detallada obtenida de cada barrero se presenta en forma gráfica. El perforista debe indicar la información en un registro estándar. La información nunca debe dejarse a la memoria porque generalmente conduce a registros erróneos. Después de determinar las pruebas necesarias del Laboratorio, el ingeniero geotecnista prepara Un registro final que incluye notas de registro De campo del perforador y los resultados de Las pruebas realizadas en el laboratorio. DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD HIDRAULICA EN EL CAMPO Dos procedimientos fáciles de pruebas descritas son la prueba del extremo abierto y la prueba con obturador. En la PRUEBA DEL EXTREMO ABIERTO, es efectuar un barrero hasta la profundidad deseada. Se hinca luego una funda y se suministra agua a razón constante desde la parte superior ya después de establecer un gasto de agua se puede determinar la permeabilidad hidráulica. La PRUEBA CON OBTULADOR, puede llevarse a cabo en una porción de Barreto durante la perforación. Se suministra al Barreto de la prueba bajo presión constante y ya pasamos a determinar la permeabilidad hidráulica. EXPLORACIÓN GEOFIÍSICA La exploración geofísica nos permite una rápida evaluación de las características del subsuelo. Los trabajos deben usarse solo para trabajos preliminares. El método de SONDEO POR REFRACCIÓN SÍSMICA es útil para obtener información preliminar acerca del espesor de los estratos de suelo y de la

profundidad de la roca o del suelo firme.se conducen por impactos sobre la superficie, se crea por un golpe de martillo el cual crea dos tipos de ondas: ondas planas y ondas de corte.

En el método de SONDEO SISMICO CROSS-HOLE la velocidad de las ondas cortantes creadas como resultado de un impacto a un extracto de suelo se determina por un sondeo sísmico. El principio de este proceso es tener dos agujeros perforados a una distancia. Se genera un impulso vertical en el fondo de un barrero por medio de la barra de impulso. Las ondas cortantes son registradas por medio de un transductor verticalmente sensible. Y se calcula la velocidad de las ondas cortantes. En el método de SONDEO POR RESISTIVIDAD la resistividad de varios suelos depende principalmente del contenido de agua y de la concentración de iones disueltos. Las arcillas saturadas tienen una resistividad muy baja; en contraste, los suelos y rocas. El procedimiento más común para medir el perfil del suelo es el METODO WENNER que usa cuatro electrodos hincados en el suelo igualmente espaciados a lo largo de una línea recta, que envían una corriente eléctrica al terreno que varía entre 50 y 100 miliamperios. REPORTE DE EXPLORACION DEL SUBSUELO Al final las muestras de suelo y/o roca son sometidas a observación visual y pruebas de laboratorio apropiadas. Luego se hace un reporte con la exploración del área de diseño a usar y preferencias durante el trabajo de construcción. Aunque los detalles en el reporte pueden tener una variación hasta cierto grado, y posteriormente se presenta el informe con la debida información.

CIMENTACIONES SUPERFICIALES: CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA Para comportarse satisfactoriamente, las cimentaciones superficiales deben tener dos características principales: 1. La cimentación debe ser segura frente a una falla por corte general del suelo. 2. La cimentación no debe experimentar un desplazamiento excesivo. La carga por área unitaria de la cimentación bajo la cual ocurre la falla por corte en el suelo se llama capacidad de carga última.

La carga por unidad de área de cimentación es Denominada carga primera de falla, hay un valor Máximo de q no se presenta en algunos tipos de falla Y se denomina falla local por corte de suelo.

Más allá de la carga ultima de falla q la grafica Carga-asentamiento se inclinara y será prácticamente Lineal. Este tipo de falla se le denomina falla por Corte de punzonamiento.

TEORIA DE LA CAPACIDAD DE CARGA DE TERZAGHI Una cimentación es superficial si la profundidad de la cimentación es menor o igual al ancho de esta misma. Sin embargo, sugieren que cimentaciones con D igual a 3 o 4 veces más el ancho de la cimentación pueden ser superficiales. Se sugiere que, para una cimentación corrida, la superficie de falla en el suelo bajo carga ultima puede suponerse similar a la mostrada. El efecto del suelo arriba del fondo de la cimentación puede también suponerse reemplazado por una sobrecarga equivalente efectiva. Para estimar la capacidad de carga última de cimentaciones cuadradas o circulares con la siguiente ecuación qu =1.3 c N c +q N q+ 0.4 γB N y (Cimentacióncuadrada) qu =1.3 c N c +q N q+ 0.3 γB N y (Cimentación circular) Donde B es el lado de las zapatas, en el caso de la cimentación cuadrada y el diámetro en la circular. Terzaghi sugirió modificaciones a anteriores ecuaciones para cimentaciones corridas, cuadradas y circulares, añadiendo factores de capacidad de carga modificada para cimentaciones que exhiben falla local por corte de suelos. Modificación de las ecuaciones de la capacidad de carga por nivel de agua freático. Si el nivel freático se encuentra cerca de la cimentación es necesario modificar las ecuaciones de capacidad de carga, dependiendo de la localización. En éste encontramos tres casos: Caso I: Nivel freático localizado en 0 ≤ D1 ≤ Df

Caso II: Para un nivel freático localizado en 0 ≤ d ≤ B

Caso histórico: Capacidad de carga última en arcilla saturada

En Tailandia, se realizaron unas pruebas de campo en cinco pequeñas cimentaciones que arrojaron los siguientes resultados:

La carga ultima se define como el punto en que el desplazamiento de la carga se vuelve prácticamente lineal. La falla en el suelo debajo de la cimentación es del tipo de falla de corte local. Por esta razón, se encontró que podemos suponer valores promedio de Cu Dependiendo de la profundidad. Factor de seguridad El cálculo de la capacidad de carga bruta admisible de cimentaciones superficiales requiere aplicar un factor de seguridad a la capacidad de carga última bruta. Sin embargo, algunos ingenieros usan factor de seguridad con respecto a la capacidad de carga ultima neta que se define como la presión ultima por unidad de área de la cimentación que es soportada por el suelo. El factor de seguridad puede ser de por lo menos 3 en todos los casos. Aunque a menudo se usa otro tipo de factor de seguridad con respecto a las fallas de corte. Independiente del procedimiento por el cual se aplique el factor de seguridad, la magnitud de FS debe depender de las incertidumbres y riesgos implicados en las condiciones encontradas. Ecuación general de la capacidad de carga

En anteriores ecuaciones se tomaban únicamente para cimentaciones continuas, cuadradas y circulares, sin tener en cuenta rectangulares, cargas inclinadas u otros factores. Por esta razón, Meyerhof sugirió una ecuación general de capacidad de apoyo: 1 qu =c N c F cs F cd F ci +q N q F qs F qd F qi + γB N γ F γs F γd F γi 2 Donde: c=Cohesión q=Esfuerzo efectivo a nivel de fondo de lacimentacion

γ =Peso especifico B= Ancho de lacimentacion ( Diámetro para una cimentación circular ) Fcs F qs F γs =Factores de forma Fcd Fqd F γd=Factores de profundidad Fci F qi F γi =Factores por inclinacion de la carga N c N q N γ=Factores de capacidad de carga Factores de capacidad de carga

Factores de forma, inclinación y profundidad

Efecto de la compresibilidad del suelo Las ecuaciones que son para el caso de falla general de corte fueron modificadas para tomar en cuenta el cambio de modo de falla en el suelo, es decir, falla local por corte. Estos cambios se deben a la compresibilidad del suelo. Para esto Vesic propuso una modificación a la ecuación general de la capacidad de carga, asi: 1 qu =c N c F cs F cd F cc +q N q F qs F qd F qc + γB N γ F γs F γd F γc 2 Donde Fcc, Fqc, Fγc son factores de compresibilidad del suelo obtenidos a partir de la analogía de expansión de cavidades. De acuerdo con esta teoría se establecen una serie de pasos para el cálculo de estos factores.

Cimentaciones cargadas excéntricamente

En varias situaciones, como en la base de un muro de retención, las cimentaciones son sometidas a momentos además de la carga vertical. En tales casos, la distribución de presión por la cimentación sobre el suelo no es uniforme.

Cuando la excentricidad es negativa, desarrollara una tensión. Como el suelo no soporta tensiones, hay una separación entre la cimentación y el suelo que hay debajo de él. La distribución exacta de la presión es difícil de estimar. El factor de seguridad para estos tipos de carga contra la falla por capacidad de carga se evalúa usando el procedimiento sugerido por Meyerhof, denominado como el método del área efectiva. Como la excentricidad tiende a disminuir la capacidad de carga de soporte sobre una cimentación, situar las columnas fuera del centro probablemente es conveniente para generar una cimentación cargada centralmente con una presión uniformemente distribuida.

Cimentaciones con excentricidad en dos direcciones

Se usan las dimensiones del largo efectivo (L’) y ancho efectivo (B’) en vez de L y B respectivamente. Al determinar el área efectiva (A’), el ancho efectivo (B’) y el largo efectivo (L’) pueden presentarse cuatro casos posibles, según lo determinaron Highter y Anders, en 1985.