UNIVERSIDAD JAVERIANA- FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL ESPECIALIZACION EN GEOTECNIA VIAL Y PAVIMENTOS CURSO DE GEOTECNIA VIAL Ing. Gilberto Rodríguez Ch.
2. CARACTERIZACION GEOTECNICA
2.1 CONCEPTOS DE MECANICA DE SUELOS Lectura recomendada:Cap. 1 y 2 LA Ingeneria de Suelos en las Vias Terrestres, Vol 1, RICO& DEL CASTILLO
TIPO DE MATERIALES
ROCAS:
- SEDIMENTARIAS - IGNEAS - METAMORFICAS
SUELOS:
- GRANO FINO (ARCILLAS) - GRANO GRUESO (GRANULARES) - RESIDUALES (METEORIZACION)
“Todos pueden constituir subrasantes, las zonas para construir una carretera presentan diferentes propiedades mecanicas o de soporte, y de estabilidad”
ORIGEN DE LOS SUELOS POR TRANSPORTE Y DEPOSITO VIENTO
GRAVEDAD
AGUA
(CENIZAS V.)
(COLUVIONES)
(ALUVIONES)
METEORIZACION DE LA ROCA MADRE SUELOS RESIDUALES
Origen del Suelo
http://images.encarta.msn.com/xrefmedia/een cmed/targets/illus/ilt/T045308A.gif
Fases del Suelo •Material Trifásico Esqueleto Mineral
Aire
Agua intersticial
Relación Gravimétricas y Volumétricas Vo Vt
Va
Vw Vs
Volumen: Va: Volumen de aire en el suelo Vw: Volumen de agua en el suelo Vs: Volumen de suelo (sólidos)
Peso: Pa: Peso aire = 0 Pw: Peso del agua en el suelo Ps: Peso del suelo (sólidos)
HUMEDAD
w Pw / Ps Importancia: ► Suelos finos: Mucha: Correlación con resistencia y compresibilidad ► Suelos gruesos: Alguna:Correlación con efectos capilares
Peso Unitario
Psuelo / Vsuelo Suelos finos y gruesos: ► Correlación con resistencia ► Correlación con compresibilidad ► Suelo
bajo agua:
´
s
w
Relación de vacíos e Vv / Vs ► Correlación
con ► Correlación con w ► Correlación con resistencia y compresibilidad
Grado de saturación
Sr ► ¿Presencia de
w / wm áx.
aire en poros? ► Sr=1: Poros llenos con aire:Mecánica de suelos clásica ► Sr<1:Poros con aire y agua: Mecánica de suelos parcialmente saturados (succión, capilaridad)
Clasificación de suelos Objetivo: ► Unificar criterios internacionalmente ► Asociar tipo de suelos a comportamientos geomecánicos típicos ► Identificar suelos representativos en proyecto:Determinación de estratigrafía
Tamaño de partícula
0,02 m
Gravas Arenas Limos
10-7 m
Arcillas
Suelos Gruesos Suelos Finos
Clasificación de los Suelos AASHTO – USCS: Tienen limitaciones Desarrolar nuevos sistemas que se ajusten a nuevos problemas Evitar ajustes en donde no se aplica (caso-cenizas)
AASHTO 1929/1945)
USCS
SUBRASANTE TERRAPLENES
A.CASAGRANDE CLASIFICACION AEROPUERTOS CONSTRUCCIONES MILITARES
PROPIEDADES REQUERIDAS PARA COMPLEMENTAR LAS CLASIFICACIONES TRADICIONALES Resistencia al corte Densidad
(finos)
(granulares)
Compresibilidad Plasticidad Nivel Freatico
Color Composición (granulometría,
mineralogía) Estructura
forma,
Clasificación de los suelos Granulometría
Gruesos
Finos Más del 50% pasa el tamiz #200 Límites de Atterberg
Clasificación de suelos finos Ensayo: Límites de Atterberg ► WL: Límite líquido ► WP: Límite plástico ► IP:WL-WP: Indice de plasticidad
Clasificación de suelos finos
Límites de Atterberg : Limite Líquido, plástico e índice de plasticidad Humedad (%)
Líquido Límite Líquido
Plástico
Indice de Plasticidad
Límite Plástico
Semi-sólido Sólido
Límite de Contracción
Límites de Atterberg WP
WL Consistencia Muy firme
w Firme w Blando
w
Consistencia – suelos finos
Resistencia
Muy blando Blando
qu (kg/cm2)
“N”
0 – 0.25
0 -1
0.25 – 0.5
Compresibilidad Cc
wL
Baja
0 – 0.19
0 - 30
0.25
Intermedia
0.2 – 0.39
31 - 50
0.2 – 0.3
Alta
> 0.40
> 50
0.3 – 0.4
2–4 Plasticidad
Medio
0.5 – 1.0
5–8
Descripción No plástico
Firme
1.0 – 2.0
IP 0 -3
9 – 15 Baja plasticidad 3 – 15
Muy firme Duro
2.0 - 4.0
16 – 31
> 4.0
> 31
Resistencia seca Muy baja (desintegra fácil) Baja
Media plasticidad
15 – 30 Media
Alta plasticidad
> 31
Alta (difícil de romper con los dedos
Clasificación de suelos gruesos Distribucion granulometrica
Suelos Particulas Gruesas (granulares – arenas) 50% o mas retenido T200, desde el No.4
Sueltos Depositos
Secos Húmedos
Densos
Saturados
Particulas redondeadas, angulares, planas
•El asentamiento en materiales granulares en el tiempo son “inmediatos” •El agua no lubrica, disminuye esfuerzos efectivos
Clasificación de suelos gruesos Granulometria correlaciona con: ► Compactabilidad ► Angulo de friccion interna ► Permeabilidad
Bien gradados Granulometría
Uniformes Con vacíos (carencia de material) Densidad Relativa
Termino
Densidad Relativa %
N
Suelto
0 – 50
25 – 30
0 – 10
Firme
50 – 70
30 – 35
11 – 30
Denso
70 – 90
35 – 40
31 – 50
Muy Denso
90 - 100
40 - 45
> 51
Permeabilidad Permeabilidad Relativa
Coef. Perm. (k) –cm/seg- Formación Típica
Muy permeable
1 * 10 -1
Grava gruesa
Permeabilidad media
1 * 10 -3
Arena, y fina
Baja permeabilidad
1 * 10 -3 / 10 -5
Arena limosa
Muy baja permeabilidad
1 * 10 -5 / 10 -7
Limos
Impermeable
< 1 * 10
Arcillas
-7
Incidencia de los finos en el comportamiento mecanico
Incidencia de los finos en la resistencia al corte
Suelos Residuales
Meteorización de la roca madre, reflejan minerales y estructuras de la roca Granito Ígneas
Basalto Saprolitos
Sedimentarias Clásticas Carbonatadas
Metamórficas
Arenisca Arcillolitas Limolitas Lutitas Calizas Dolomitas
Arenas limosas Limos arenosos Arcillas Montmorillonitas Suelos residuales profundos
Construcción Alta plasticidad Saprolito Antioqueno
Arenas Arcillas Material de origen Limos Arcillas alta plasticidad Quedan partículas insolubles , pueden producir hundimientos (sumideros)
Limos arenosos Arenas limosas
Gneiss, esquistos
Arcillas
Filitas
Los depósitos son muy variables dado el origen del metamorfismo
Perfil Típico –Suelo Residual depende del grado de alteracion Horizonte A – capa superior
B – capa intermedia
C - transición
Descripción Mayor alteración, incluye capa orgánica Zona de acumulación, alteración superior Parcialmente meteorizada; transición suelo roca
Cenizas – suelos volcanicos Presentan problemas :
Explanación Compactación Sensibles a la humedad Susceptible al remoldeo Cambio de propiedades con secado
Formación:
Meteorización eyectos volcánicos del cuaternario.
TERRAPLEN DE PRUEBA
Características: - Alta W%, variaciones drásticas - Bajos - Altas e - w > LL (sin ser arcillas) - Buena resistencia y CBR - La clasificación, no corresponde a la convencional
Permeabilidad 1 minutos
1 horas
100 días
100 años h2 L h1
Grava
Arena
Coeficiente de permeabilidad Caudal
Q Velocidad
k v
h2
h1 L
Q A
Arcilla
Limo
ki
Gradiente hidráulico
A
kiA Area de la sección transversal
Ley de Darcy Viscosidad Densidad
Valores Típicos de Permeabilidad Tipo de Suelo
Gravas Arenas Limos Arcillas
Coeficiente de Permeabilidad k (cm/s) 102-10 1-10-4 10-5-10-6 10-7-10-9
Flujo Unidimensional
Líneas de flujo: Líneas de corriente (incluyen las paredes) Redes de Flujo
Suelo isótropo: perpendiculares Líneas equipotenciales: La “carga” es igual
Flujo Unidimensional Caudal por metro lineal (perpendicular a la figura)
Q l
kH
nf nd
Perdida de carga total
Número canales de flujo Número de reducciones de carga
Flujo Bidimensional
Otros ensayos
Consolidación
Compresión inconfinada
Relación de Poisson ( ) h H l L
z
h x
x
H
Volumen constante (agua) – 0.5 ]
z
=[
L
l
0
Disminución de volumen, no deformación lateral (corcho, icopor) Suelos ( )
[0.25 – 0.40]
( ) > 0.50 “aumento de volumen” [arcillas expansivas-granulares uniformes]
Módulo de Elasticidad “Valores Tipicos” Tipo
Kg/cm2
Arcilla muy blanda
3 – 3.5
Arcilla blanda
20 – 50
Arcilla media
40 – 80
Arcilla dura
70 – 180
Arcilla arenosa
300 – 400
Arena limosa
70 – 200
Arena suelta
100 – 250
Arena densa
500 – 800
Arena densa y grava 1000, 2000 > ? Comparativos Madera
80 – 100*103
Concreto
200 – 300*103
Acero
2150*103
Esfuerzos en una masa de suelo
Esfuerzos normales en un sistema de partículas ΔA A ΔP’ P
normal
P A
Esfuerzos normales en suelos
P z
Arcilla
Arcilla
suelo
suelo z
z
suelo * z
suelo * z
z
suelo * z
P
DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS –BOUSSINES Q. (1886) 3 1
z
z
r
r
r
deformació n latelar deformació n vertical
2P * Z 3 2 * R5
3P 2
2 *Z 1
r
2
5
2
Z
3P * Cos 5 KPa 2 *Z2 : incr. de esfuerzos de compresión en sentido r P 3Z * r 2 2 R5
(1 2 ) * Cos 2 1 Cos
P 3 * Sen 2 * Cos 3 2
KPa
(1 2 ) * Cos 2 1 Cos
horizontal
ESFUERZOS DEBIDO A CARGAS – GRAN SIMPLIFICACIÓN
Z
q*
1 Z 1 2 B
ESFUERZOS DEBIDO A GARGAS – Error de simplificación
ESFUERZOS EN EL SUELO
´ VA ´ 3
H1 * 3
w
1
– Debidos al peso del suelo
H2 *
2
H3 *
´ 3
ESFUERZOS EN EL SUELO - Debidos a cargas de estructuras.
Cuando se encuentran varias estructuras cercanas se observa el fenómeno de superposición de esfuerzos, que es cuando los bulbos de esfuerzos de las estructuras se sueperponen, entonces en ese caso los esfuerzos deben sumarse
Esfuerzos normales en suelos ( P) B
Para una carga rectangular, en una esquina:
L
P ≈0,1*P
n=B/z
m=L/z
i= f(n,m)
P
Arcilla
P= P*i
Gráficas m,n B
z L ≈2*B
z
suelo * z
ΔP
Para una carga rectangular, en el centro, dividir en cuatro: n=(B/2)/ z P= 4*P*i
m=(L/2)/z
Esfuerzo efectivo Esfuerzo efectivo (esfuerzo entre partículas)
σ =σ–μ
Presión de Poros (presión del agua)
ΔA ΔP’
Agua
Caso Práctico: Fenómeno de Licuación •Arenas Limpias (homogéneas) •Sumergidas •Fuerza dinámica (sísmo o explosión)
σ =σ–μ Si μ = σ σ =0 El suelo fluye
σ >0
σ =0
Asentamientos 0
t Asentamiento Instantáneo
Asentamiento por Consolidación Primaria
So
S1
S2 Asentamiento por Consolidación Secundaria S
ST= So+S1+S2
Asentamiento Total
Exceso de presión de poros n+
P
n
Incremento de Carga
Presión de Poros ( )
Presión de Poros ( ) + exceso de presión de poros ( )
Asentamiento por consolidación primaria P P
P
t P
=0 S=0
>0 S=0
P
1> S>0
P
>0
=0 S=S total
Medición Consolidación
Consolidómetro o edómetro
Ensayo de Consolidación 1,35
e Vv / Vs
Relación de Vacios, e
1,25
1,15
1,05
0,95 0,10
1,00
10,00 2
Log Presión P, (kg/cm )
100,00
Consolidacion
ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN DEFINICIONES • SUELO NORMALMENTE CONSOLIDADO.
Nunca ha experimentado un mayor esfuerzo que el actual
A
P
*h
presión actual
esfuerzo de preconsolidación
ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN DEFINICIONES • SUELO SOBRECONSOLIDADO:
P
Alguna vez experimentó un esfuerzo mayor que el actual
*h
P A
* h2
A
ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN PRIMARIA (S1)
• SUELO NORMALMENTE CONSOLIDADO.
S1
H * cc * Log 1 e0
´ 0
z ´ 0
• SUELO SOBRECONSOLIDADO.
S1
H * cr * Log 1 e0
´ 0
z ´ 0
Tiempo de Consolidación U
Δσ
Arcilla
Arcill a
Asentamiento en T Asentamiento total
z
Z =z/H T= ∞
T=0
Arena
U Tiempo adimensional f (U) Tiempo de consolidación
t
T *H cv
Coeficiente de consolidación
2
Distancia máxima que debe recorrer el agua
RESISTENCIA AL CORTE
RESISTENCIA AL CORTE DETERMINACION EN EL LABORATORIO ► Ensayo de compresion triaxial ► Ensayo de corte directo ► Ensayo de compresion inconfinada
DETERMINACIONEN CAMPO ► Ensayo de veleta (VST)
Determinación de la resistencia al corte Ensayo de corte directo ► Angulo de
fricción interna ► Cohesión
Otros ensayos: Triaxial
Triaxial σ σ3 Δ
}σ
1 Δh
σ3
σ3
σ3 Δσ
}
σ1
σ3: Presión de Confinamiento Δσ: Esfuerzo Desviador σ1: Esfuerzo Normal
h
τ
Envolvente de falla
φ Círculos de Mohr
C
σ31 σ32 σ11m σ33 σ12m σ11máx = σ31 + Δσ 1 σ12máx = σ32 + Δσ 2 σ13máx = σ33 + Δσ 3
σ13m
σ
Triaxial Carga rápida No consolidado no drenado (UU)
Sin drenaje
(OCR=1) τ
u 0
υ=o
υ=0
Triaxial Cu
Cohesión Angulo de fricción
σ
Consolidado drenado (CD) τ
Carga lenta Con drenaje
OCR>1 φ
σ
u 0
υ>o
CÁLCULOS DE ESTABILIDAD
Otros ensayos Compresión inconfinada: Relación esfuerzodeformación σ
Δ
σfalla
Es Módulo de elasticidad
ES
ε H H
Deformación unitaria
Altura original de la muestra
Diseño de cimentaciones
Falla por capacidad portante V
q=
γ*Df
B
σn
I III
III
II
Superficie de falla
de : ► τ = c + σn tan υ Cohesión c Angulo de fricción Peso unitario () U depende
II
Superficie de falla
Df
Resistencia al corte-ARCILLAS
Arcillas normalmente consolidadas Condicion no consolidda no drenada (Sr=1) ► Condiciones Velocidad de corte alta Baja permeabilidad Falla compresible ►
Consecuencias:
u 0
υ=o
Resistencia al corte-ARCILLAS
Resistencia al corte-ARCILLAS
Resistencia al corte-ARCILLAS
Resistencia al corte-ARCILLAS
Resistencia al corte-ARCILLAS
Resistencia al corte-ARCILLAS
Resistencia al corte de arenas
Resistencia al corte-ARCILLAS
Arcillas sobreconsolidadas Condicion drenada (Sr=1) ► Condiciones Velocidad de corte baja o alta Falla dilatante Esqueleto solido ► Consecuencias:
u 0
φ>o
Resistencia al corte-ARCILLAS
Resistencia al corte-ARCILLAS
Granos de arena
2.2 EXPLORACION DEL SUBSUELO
EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO Y ENSAYOS DE LABORATORIO Objetivo general Caracterizar los diferentes estratos del subsuelo y definir parámetros necesarios para cálculos y diseños
EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO Y ENSAYOS DE LABORATORIO
Actividades ► Realización de
perforaciones del subsuelo ► Excavación de apiques ► Metodos geofisicos (geoelectrica, sismica) ► Ensayos de campo (SPT, CPT, VST, etc) ► Realización de ensayos de laboratorio
PLAN DE EXPLORACION DE CAMPO Y ENSAYOS
Las exploraciones se llevan a cabo en dos etapas: 1. Sondeos o Barrenos: Para caracterizar; Perfil, Estratigráfico; Nivel freático
2. Apiques: Propiedades de los materiales y definición de la subrasante – (CBR y Mr[flexible] / K[rigido]) Exploraciones en Sitios Especiales como zonas inestables, requisitos de obras de contención y rellenos; perforaciones, ensayos especiales.
LO QUE SE BUSCA
Análisis por unidad de diseño Condiciones Geológicas
Formaciones, Discontinuidades
Condiciones Geotécnicas
Tipos de Suelos, humedad, inestabilidad
Resistencia Suelos
Condiciones de Drenaje
Muy Importante
Estabilidad Volumétrica
Expansión, Contracción
Posibilidad de Mejoramiento o Estabilización
Con los ESTUDIOS GEOTECNICOS (Suelos/Geología), se llevan a cabo los análisis enunciados
LA SUBRASANTE COMO ELEMENTO GEOTECNICO DE SOPORTE DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO (EP) FLEXIBLE
EP
RODADURA RIGIDO (B)BASE
(SB) SUB-BASE MEJORAMIENTO
N.F SUBRASANTE (SR) SOPORTE
CONDICIONES QUE SE PUEDEN PRESENTAR :
1. EP sobre SR ó Terraplén (T) o Relleno (R) 2. EP dentro del suelo, SR (cajón) 3. EP Media Ladera (relleno y subrasante)
4. EP sobre Talud
1. EP sobre SR ó Terraplén (T) o Relleno (R) EP EP SR
T SR
BUENAS CARACTERISTICA S
Se transmiten “cargas” al terreno natural problemas de capacidad portante, asentamientos en SR (blandas, debiles,sueltas), problemas durante el inicio de construccion, posibilidad de mejorar: CAL REEMPLAZO ESTABILIZACION
CEMENTO
RAJON
QUIMICA
PROFUNDIDAD DE EXPLORACION DEPENDE DE LA ALTURA/CARGA DEL TERRAPLEN
2. EP dentro del suelo, SR (cajón) ? EP
SR
Por presencia del N.F, es necesario adoptar medidas de drenaje, debido a la excavación (cajón), los esfuerzos finales que soportan el suelo, probablemente serán bajos. Se reducen posibilidades de problemas con asentamientos, capacidad portante. Si SR blanda aplica concepto de mejoramiento.
3. EP Media Ladera (relleno y subrasante)
LLUVIA
? GRIETA
EP DREN
R MC ?
SR
LA EXPLORACION TIENE QUE SER MUY DETALLADA E INTENSA
Tanto la EP como R transmiten cargas a la SR, pudiendo ocasionar asentamientos. El R como tal, puede tener asentamientos, mejor “NP” (IP<3, max – JNG). Como EP se apoya en R y SR, se puede generar grieta (Geotextil puede ser buena solucion). Debido a existencia ladera, muy importante manejo aguas escorrentía y de infiltración (aplicable a otros casos)
4. EP sobre Talud Puede requerir obras de estabilización (contención)
LLUVIA
EP EP
SR Perforaciones drenajes
El talud resultante tiene que ser estudiado bajo condiciones de humedad (N.F) existentes y los esfuerzos inducidos por la EP (análisis de estabilidad). La Geología y Perfil Estratigráfico es “ESENCIAL”
RESUMEN ENFOCADO A EXPLORACIONES
El alcance de la exploración, dependerá del tipo o condición que se anticipe de SR. Las exploraciones de caracterización/perfil estratigráfico podrán variar entre pequeños sondeos o barrenos manuales, hasta perforaciones profundas 515-20 m?, dependiendo se consideran terraplenes, rellenos, SR blandas o taludes potencialmente inestables. Finalmente, el espaciamiento y profundidad, por lo tanto, no se pueden establecer hasta tanto se conozca el proyecto – trazado y geologia. Del análisis geológico, desde el punto de vista geotécnicos, xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
Sondeos / Barrenos / Apiques “PERFORACIONES’
Ensayos de Laboratorio ESTUDIO GEOTECNICO
PERFIL ESTRATIGRÁFICO – N.F *Caracterización SR *Análisis Especiales
Análisis de Estabilidad
Mejoramiento
Asentamientos
Cap. Portante
Sondeos / Barrenos [perforaciones] 1era ETAPA Perfil Estratigrafico N.F u otro sistema de humedad Ensayos Directos (SPT, PCD) Muestras para ensayos Sondeo: Percusión y lavado, suelos blandos/medios, plásticos, toma de muestra con “split”. En granulares las muestras se alteran. (SPT, PCD y Veleta) Barrenos: Son manuales y consisten en perforar con un barreno o tornillo, las muestras son totalmente alterados; se conocen los cambios de material y se toman muestras para caracterización. Perforaciones: Percusión y lavado; con broca para suelos duros o roca. Recobro de muestras inalteradas “split” (tubo partido) o brocas, Ensayos directos : SPT, PCD, Veleta y otros mas sofisticados IMPOSIBLE DETERMINAR ESPACIAMIENTO ANTES DE INICIAR UNA INVESTIGACION, DEBIDO A QUE ESTE DEPENDE: TIPO DE ESTRUCTURA Y UNIFORMIDAD DE LAS FORMACIONES
Espaciamiento Inicial Experiencia Geología del Sitio o Corredor Vía Información Básica Zonas con Mayores Cargas Zonas con Suelos Malos DISMINUIR ESPACIAMIENTO SUELOS MUY MALOS CONTINUAR CON PROFUNDIDAD
1A ETAPA – CRITERIOS GENERALES PARA DEFINIR PERFIL ESTRATIGRAFICO TIPO DE OBRA
ESPACIAMIENTO
PROFUNDIDAD
Carretera
200 – 600m
Prom. 1.5 – 3.0 m Zonas criticas > 5.0 m
Vias Urbanas
20 – 50m; depende 1.5 – 3.0 m (cajon), longitud via; por lo menos terraplen: por cada metro, dos (2) 2-3 m en subrasante.
Pistas Aeropuerto
40 – 80 m; distribuidos eje 3.0 – 6.0 m y extremos (intercalados) Zonas mayor impacto (inicio extremo)
Aéreas Pavimentadas 1 c/d 800 – 1000 m2 (parqueaderos, zonas de 20 – 60 m cargue, etc.)
5 – 10 m 3–6m Concentración aumenta
Zonas de préstamo (material seleccionado, base, sub-base, agregados en general)
Depende tipo de formación : deposito de roca……. Ideal explotación superficial 3 – 5 m, cantera 5 – 10 -20 m Geología muy importante
Depende características del área: 1 c/d 1000 – 2000 m2 Importante identificación del sitio
de
cargas,
Recomendaciones Finales En caso de suelo malo, blando, NO PARAR EL SONDEO En caso de terraplenes, rellenos, MAYOR PROFUNDIDAD DE EXPLORACION, REGLA DEL 10% MAX DEL ESFUERZO INICIAL.
En caso de duda: mas sondeos, mayor profundidad, mas ensayos……….visitas complementarias “se duerme mejor” Finalmente: Que el cliente sepa que es posible modificar el plan de exploración.
RESUMEN ASPECTOS GEOTECNICOS A EVALUAR EN 1A ETAPA: SONDEOS, BARRENOS, PERFORACIONES Condiciones
IP) – IC
de humedad/plasticidad – Limites Atterberg (LL, LP,
Granulometrías (incluye Resistencia Posición
(SPT, Veleta, PCD)
N.F
Clasificación PERFIL
pasa T200)
Convencional suelos/rocas
ESTRATIGRAFICO
2A ETAPA DE EXPLORACION EJECUCION DE APIQUES Conocer propiedades y parámetros de resistencia de la Subrasante. Confirmar cualquier inquietud o duda de la primera Etapa En caso de N.F superficiales, confirmarlo CRITERIOS PARA EL ESPACIAMIENTO En general menor que el de la 1ra Etapa Depende del perfil estratigráfico definido y de las unidades homogéneas definidas. Condiciones de consistencia de los suelos Condiciones de humedad / plasticidad Condiciones especiales y excepcionales. (sitio geotécnicamente críticos) IMPORTANTE: en esta etapa se definen las características y capacidad de soporte dela SUBRASANTE (SR)
CRITERIOS GENERALES PARA APIQUES SECCIÓN 1*1 m – 1*1.5 m TIPO DE OBRA
ESPACIAMIENTO
CARRETERA
50 – 300 m
VIA URBANA
10 – 50 m; depende de longitud via; min 2
PISTA AEROPUERTO
30 – 200 m
PROFUNDIDAD 1.0 – 2.0 m
Medida a partir del nivel de la subrante
1.5 m AREAS PAVIMENTADAS (PARQUEADEROS, ZONAS DESCARGUE, ETC.)
10 – 50 m En general
RESUMEN ASPECTOS GEOTECNICOS A EVALUAR EN LA 2A ETAPA DE EXPLORACION: (APIQUES – SUBRASANTE) Condiciones de Soporte y Resistencia (CBR, MR, E) también PCD, SPT Condiciones de Plasticidad (LL, LP, IP, pasa Tamiz 200) Condiciones de Compactación (Proctor Estándar o Modificado?(si material blando); humedad optima) Presencia N.F y condiciones de humedad
Estudios particulares; mejoramiento, cambios volumétricos, estabilidad, capacidad portante. IMPORTANTE : Se pretende caracterizar y conocer los parámetros de soporte y resistencia, de la mejor y segura manera de la subrasante. PRESENTACION DE LA INFORMACION:
Variación humedad natural con profundidad y a lo largo del abscisado, y para unidades homogéneas de diseño. Mostrar el nivel de subrasante o estrato de soporte Indicar N.F. Si esta presente. Mostrar los sondeos y apiques donde se determinaron la humedad.
Perfil Estratigráfico
• Definición estratos de materiales • Presencia Nivel Freático (N.F) • Propiedades de los Materiales K0+000
K0+100
K0+200
N
IP W%
K0+300
K0+400
ABS. 1050
1049
IP W% COTA
S-1
S-1
N
IP W%
S-1
SR
1048
1047
DESCRIPCION DE MATERIALES
NOTA: muchas veces no se logra la continuidad esperada y quedan inquietudes, se debe SOLICITAR OTRO SONDEO
ARENA ARCILLA LIMO
•TIPO •COLOR •HUMEDAD •N, VELETA, qu •CLASIFICACION
N
“CASOS QUE GENERAN MALAS INTERPRETACIONES [BOLSAS, LENTES O VETAS DE MATERIALES]” S-1
S-3
S-2
SIMBOLOGIA/CONVENCIONES
PARA USCS
RELLENO
LIMO ARENOSO
MH
ML
CAPA VEGETAL
ARCILLA ARENOSA
CL
CH
LIMO
ARCILLA LIMO ARENOSA
Mat. Vegetal
ARENA
DEPOSITO ALUVIAL LIMO ARCILLOSO
OH
ARCILLA ARCILLA LIMOSA
MH-CH
Nota: Cualquier convención es apropiada, lo importante es la correcta correlación e identificación de materiales. Existen o se pueden emplear convenciones con colores; tiene mucho de creatividad
COMPLEMENTACION PERFIL ESTRARIGRAFICO CON APIQUES Y DEFINICION SOPORTE SR 0.0
K0 + 150
REGISTRO APIQUE
1 0.25
0.50
N.F
0.75
2
CBR 3
Capa Vegetal
•Descripción de suelos
Arcilla arenosa, consistencia media, plasticidad media
•Resultados de N, Veleta, qu, u otros
Suelo arenoso, amarillo oscuro, de consistencia densa
FIN APIQUE
PROFUNDIDA D
DESCRIP. SUELO
CLASIFICACIO N LIMITES, W
y
•Localización N.F •Valores de CBR: Natural, Saturado, muestra de lab. •Estrato donde localiza la SR
1.00 1.25
•Clasificación Limites w%
RESISTENCIA (N, qu, Vel)
CBR
se
OBSERVACIONES
INTERPRETACION DE RESULTADOS
Consideraciones de drenaje y humedad: Aspecto fundamental y mas importante para garantizar el buen comportamiento del pavimento. - Drenaje Superficial: cunetas, canales, alcantarilla - Subdrenaje: Filtros-dren en zanjas (1 – 2 m) [PAV. RIGIDO]
Filtros transversales Drenajes horizontales (perforaciones Pavimento (no es impermeable) Cunetas
Dren / filtro zanja (no ahorrar esfuerzos en profundidad
CORTE
CAJA
Entrega alcantarilla o pozo
POZO
DREN TRANSV
ALCANTARILLA
CUNETA CAUCE NATURAL
PLANTA
Perforaciones del subsuelo y excavación de apiques
Apiques
Ensayos básicos ► Ensayos de
granulomería ► Límites de Atterberg ► Humedad natural ► Peso Unitario ► Contenido de materia orgánica
Ensayo de corte torsional con veleta (VST)
Ensayo de penetracion estandar (SPT)
Ensayo de cono dinamico (PDC)
2.3 INTERPRETACION Y ANALISIS DE ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
Interpretacion de resultados GRÁFICO DE HUMEDADES Y LÍMITES COLUVIONES 0
20
40
60
80
0
1
2
Profundidad (m)
3
4
5
6
7
8
9
10
W, WL y WP ( %)
W
WL
WP
100
120
Interpretacion de resultados SU ELOS C OLU V IA LES N S P T vs PR OF U N D ID A D 0
20
40
60
0 1 PROFUNDIDAD (m)
2 3 4 5 6 7 8 9 10
N (golpes/pie) P T -1
P T -2
P T -4
P T -5
P T -6
P T -7
P T -8
P T -9
P T -11
P T -13
P T -14
P B -11
P B -15
P B -15A
P B -16
P B -17
P B -25
P B -29
P B -30
P B -31
P B -32
P B -34
P B -1
P B -2
P B -3
P B -4
P B -5
P B -9
P T -10
P B -14
P B -24
Interpretacion de resultados N S P T v s P R OFU N D I D A D
0
20
40
60
80
0 2
PROFUNDIDAD (m)
S-1 S-2
4
S-3 S-4
6
S-5 S-6
8
S-7 S-8 S-9
10
S-10 S-11
12 14
N (golpes/pie)
Interpretacion de resultados 0
0
10
20
30
0
40
50
100
150
200
0
50 P1 P2
5
P3
5
P4 P6 AP1
10
AP2 AP3
15
20
25
Profundidad (m)
Profundidad (m)
P5
10
wn LL LP
15
20
N (golpes/pie)
25
w (%)
Interpretacion de resultados
0
10
20
30
40
50
0
60
Profundidad (m)
1
10
AP1 AP2 AP3
15
5
1,5
2
P1 P2
Profundidad (m)
P1 P2 P3 P4 P5 P6
5
P3 P4
10
P5 P6 AP1 AP2
15
AP3
20
20
25
0,5
0
0
C (T/m2)
25
g (T/m3)
Interpretacion de resultados
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0
Deposito arcilloso
1
2
P1
3
Profundidad (m)
P2 P3
4
P4 P5
5
AP1 AP2
6
AP3
7
8
9
10
Cu (T/m2 )
Determinación de la estratigrafía y profundidad del nivel freático
2.4 COMPORTAMIENTO ESPECIAL DE SUELOS: LICUACION, CONTRACCIONEXPANSION, COLAPSO
SUELOS LICUABLES
,
► Esfuerzo
efectivo ► Presión del agua
'
u
u ► Resistencia
corte
al
,
tan
c
CONDICIONES ► Arenas sueltas (baja densidad) ► Arenas finas ► Mal gradadas ► Arenas saturadas ► Arenas limpias (sin arcillas)
1. 2. 3.
4. 5.
Sismo Densificación de arenas Exceso de presión agua en los poros , Resistencia al corte=0 tan Arena fluye
c
► Metodología:
Semiempírica SEED &
IDRIS ► Resultados: Arenas hasta los 12m son potencialmente licuables
SUELOS EXPANSIVOS
Lectura recomendada: Capitulo IX-9 La Ingenieria de Suelos en las Vias TerrestresRICO & DEL CASTILLO
Efectos de suelos expansivos (activos) en pavimentos ► 1.
Contraccion por secado ► Expansion por humedecimiento ► Desarrollo de presiones de expansion en suelos confinados ► Reduccion de resistencia al corte y de la capacidad de carga por expansion
Danos causados en pavimentos por suelos expansivos ► Elevaciones o
descensos de la superficie de
rodadura ► Agietamientos longitudinales ► Deformaciones al lado de alcantarillas ► Agietamiento generalizado (piel de cocodrilo d ela carpeta
Suelos Expansivos (Identificación) Importante: tienen que estar parcialmente saturados W % < LP , en general, aprox. Arcillas “PC”
Actividad (Ac) = [IP] / [% peso < 2 m] MINERAL
AC
Grado
Caolinita
0.33 – 0.46
Inactiva
Ilita
0.9
Normal
(Ca) Montmorillonita
1.5
Normal – Activa
(Na) 7.2 Activa Montmorillonita EN GENERAL , MENORES W%, PRODUCEN MAYORES EXPANSIONES
CAMBIO
LC
IP
BAJO
>12
0 – 15
MODERADO
10 – 12
15 – 30
ALTO
0 - 10
>30
CONT. COLOIDES % < 0.0001 mm
IP
LC(SL)
>28
>35
<11
>30
MUY ALTO
20 – 31
25-41
7 – 12
20 – 30
ALTO
13 – 23
15 – 28
10 – 16
10 – 20
MEDIO
<15
<18
>15
<10
BAJO
% PASA T.N 200
L.L
N
>95
>60
>30
>10
MUY ALTO
60 – 95
40 – 60
20 – 30
3 – 10
ALTO
30 – 60
30 – 40
10 – 20
1–5
MEDIO
<30
<30
<10
<5
BAJO
ADAPT. HOLTZ GIBBS (SORS)VER
GRADO EXPANSION
% CAMBIO
HOLTZ GIBBS (1956)
GRADO EXPANSION
% CAMBIO
CHEN (1998)
IP (CHEN 88)
IP (RAMAN 67)
IC (RAMAN 67)
GRADO EXP.
0 – 15
<12
<15
BAJO
10 – 35
12 – 23
15 – 30
MEDIO
20 – 55
23 – 32
30 – 40
ALTO
>35
>32
>40
MUY ALTO
ENSAYOS DIRECTOS
EXPANSIÓN LIBRE: Suelo pasa No. 40 seco de conocido , se satura y se deja expandir. %Exp.>50 – 100% pueden ser altamente expansivos; BENTONITA:1200-2000%(Mont – Na).
EXPANSIÓN CONTROLADA: Se satura la muestra y se va colocando carga para controlar expansión. Cargas de hasta 10 kg/cm2, el ensayo se realiza en un anillo de consolidometro (muestra remoldeada).
Metodo del Bureau of Reclamation (E.U) V Vo E.L. .100 Vo
Se considera: •E.L. Expansion libre •L.C. Limite de contraccion •IP Indice de plasticidad
•%particulas < 1 µ
E.L.= Expansion libre V=Volumen muestra despues de expansion Vo= Volumen muestra antes de expansion (10cm3)
Efecto del peso unitario y la humedad inicial en la expansion
► Suelos
remoldeados compactados a igual peso especifico seco y w presentan mayor potencial del expansion. ► No compactar suelos expansivos mas de lo necesario ► Suelos compactados estaticamente presentan mayor potencial del expansion que lso compactados con impactos
Efecto de actividad en terraplenes Grieta de tension en hombro
Zona de mayor actividad
Zona humedad de equlibrio
Zona de mayor actividad
EFECTO DE LOS ÁRBOLES (VEGETACION) FENOMENO: Succión del agua del suelo por evapotranspiración DONDE OCURRE: Suelos parcialmente saturados, Las raíces no penetran en el N.F, mayor incidencia en suelos expansivos. CONSECUENCIAS: Asentamientos por perdida de humedad genera sobrecarga en el suelo al abatir zonalmente el N.F (cada „m‟, 1 piso)
EFECTO – AREA DE INFLUENCIA: dos (2) veces la altura del arbol ÁRBOLES MAS AGRESIVOS: Acacias, Eucaliptos, Mangos, Mamoncillos EL SUELO SE AGRIETA SE GENERAN FALLAS LOCALES EN h ZONA DE P.C 2h Zona Activa
2h asentamiento
Variacion N.F con el tiempo
CONTROL EFECTO ARBOLEDAS Y VEGETACION EN COMPORTAMIENTOS EN LOS PAVIMENTOS OBJETO: Evitar variaciones humedad en la S.B impedir raíces alcancen zona húmeda protegida por E.P. SOLUCIONES: Barreras verticales y horizontales; Críticos: Tala del Árbol
h 2h Zona Conservación Húmeda (1 – 2 m)
Barrera en concreto pobre
Prolongar estructura del Pavimento (1 – 2m) 2h
Zona Conservación Húmeda
Barrera en concreto pobre
h
NOTA: muchas veces la misma grama o vegetación de potreros es suficiente para generar succión. En Bogota hay casos registrados de agrietamientos del pavimento en zonas aledañas a los separadores con grama……
AGRIETAMIENTOS
SR
AGRIETAMIENTOS
SR POSIBLE SOLUCION O BARRERA VERTICAL
DETERMINACION DE LA ZONA ACTIVA (variación de humedad) ; APLICABLE TAMBIEN PARA ARCILLAS EXPANSIVAS Zona Activa: Aquella donde pueden ocurrir variaciones o cambios de humedad, principalmente por Evapotranspiración (Z 3 – 5m) Exploración Directa: Por medio de apiques (2-4m) verificar zona con grietas o fisuras, por encima de N.F Grafico que relaciona W % / IP vs. Z (profundidad). Se puede subestimar la profundidad, generalmente 3 – 5 – 6 m; Z<3m pueden ser constante, se puede estar en el limite de la zona activa. 0 0
W%
IP %
2.5
11
28
5.0
13
28
8.0
5
8
11.5
3
NP
13.5
16
36
16.5
19
36
20.0
28
36
25.0
29
36
30.0
28
36
ARCILLA
5 3.3
10 15
ARCILLA LIMOSA ARENA ARCILLA
6.6
ZONA ACTIVA
Z (ft)
PROFUNDIDAD
Ensayos:
20
25 30 m
Ft
“EXPANSIVE SOILS” JOHN D. NELSON (1992)
METODOS DE TRATAMIENTOS RECOMENDADOS PARA SUBRASANTES EXPANSIVAS ENSAYOS: Expansión libre (E1), Expansión controlada (EC), Ensayo alterno (EA-UJ), Expansión CBR, Determinación Zona Activa. Seleccionar otra alternativa de alineamiento. Remover y reemplazar la capa (o parte ?) del suelo expansivo Alteración física mediante escarificación para destruir su estructura; recompactar con W>opt (1-2-3 puntos) y buen control de compactación. Alteracion Química con cal (estabilización) [3 – 6%] en una profundidad de 20 a 30 cm. Minimizacion de cambios de humedad por evapotranspiracion: presaturacion, barreras horizontales y verticales, drenes de arena profundos, inyeccion de lodos de cal y otros. BARRERA – DREN VERTICAL Precarga 60 cm
Sello (relleno estabilizado cal / cemento) 1- 2m
Material Granular (gravas) Drenar (cómodo) – sitio seguro
Membrana Impermeable Polietileno
BARRERAS CON GEOMEMBRANAS IMPERMEABLES Evitan que el agua ingrese al suelo expansivo y cambie su humedad….. Evapotranspiración (E.T) 2–5m
Rodadura
2–5m EP
Geomembrana SR Expansiva (Wn) (E.T)
(E.T) EP > 1.5 – 2 m
“Zona Conservación W” Barrera contraflujo de Geomembrana
Finalmente:
Zona activa (puede ser no practico alcanzar toda la profundidad), [ $]
bEvitar cambio de humedad en la SR bIdentificación adecuada (exploraciones y ensayos apropiados) bEn lo posible evitarlos bUtilizar pavimentos flexibles
Otras medidas para el control de expansion ► Mezcla
consuelos no activos ► Sobrecarga para control de expansion ► Mezcla con cal (incrementa capacidad de carga) ► Anadir agua hasta valores cercanso al WP ► Anegar la subrasante antes de construir pavimento
