1.-EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA. Es la recopilación de información necesaria para realizar un análisis adecuado e integral de la zona de estudio. Objetivo: Determinar la ubicación y espesor de los estratos de suelo. Ubicar la napa de agua. Determinar la profundidad de la roca basal y sus características Obtención de muestras para su posterior caracterización. Llevar a cabo ensayos en terreno y/o en el laboratorio para definir problemas especiales que puedan generarse generarse durante o después después de la construcción. Pasos: 1) ESTUDIO PRELIMINAR.- Consiste en revisar material ya publicado. Estos datos permiten a menudo reducir la extensión de la exploración como: mapas geológicos, reportes geotécnicos, fotografías aéreas y etc. 2) RECONOCIMIENTO DEL TERRENO.- Recorrer el sitio sitio y evaluar visualmente las condiciones locales. 3) EXPLORACIÓN.- Obtención del perfil de subsuelo, tomar muestras de suelo, realizar ensayos in-situ pare estimar parámetros de los materiales, y determinar la profundidad de la roca basal y el nivel freático, cuando es poca la profundidad se recurre a calicatas y/o zanjas, cuando son profundas se se realizan perforaciones. perforaciones. Calicatas.- Suelo expuesto, no es posible realizarlos en suelos arenosos, sobre todo bajo la napa. Sondajes.-Consiste en realizar una perforación y extraer muestras del fondo mayormente en diámetro entre 75 y 600 600 mm, y una una profundidad profundidad entre 2 y 30 m. En general el número de sondajes debería aumentar a medida que: La variabilidad del suelo aumenta. La carga aumenta. La estructura sea mas crítica. 4) ENSAYOS DE LABORATORIO.- Se utilizan cuando es difícil obtener muestras inalteradas, en arenas por ejemplo sirven para estimar propiedades y parámetros del suelo. Ensayos típicos en terreno son: Ensayo de penetración estándar (SPT) Ensayo de penetración de cono (CPT) Placa de carga Ensayo de corte in-situ (Vane sheartests, VST) Ensayo de penetración estándar (SPT)
2.- ENSAYO DE COMPACTACIÓN PROCTOR CBR CONTROL DEL GRADO DE COMPACTACIÓN. Este ensayo determina la curva de compactación para una determinada energía de compactación. Esta curva considera en abscisas el contenido de humedad y en ordenadas la densidad seca. Con
lo que se puede obtener la humedad óptima que es la que corresponde a la densidad máxima. Con lo que se determinar la cantidad de agua de amasado a usar cuando se compacta el suelo en terreno para obtener la máxima densidad seca para una determinada energía de compactación. Donde el agua juega un rol importante, sobre todo en los suelos finos, que contengan más de un 50% de finos sino a la fracción fina que controla su comportamiento. Fracción fina, que para gravas puede ser sobre un 8% y para arenas sobre un 12% (Holtz1973), lleva a limitar el uso de la densidad relativa y por lo tanto, obliga a su reemplazo por el ensayo de compactación. En consecuencia, existirá para un determinado suelo fino y para una determinada energía de compactación, una humedad óptima para la cual esta energía de compactación producirá un material con densidad seca máxima. Al compactar un suelo se persigue lo siguiente: Disminuir futuros asentamientos Aumentar la resistencia al corte Disminuir la permeabilidad MODIFICADO DENSIDAD MÁXIMA (PROCTOR MODIFICADO) MTC E 115 Con el Proctor modificado se obtiene el peso específico seco máximo y humedad optima, establecer la especificación de compactación (Grado de compactación), junto con la curva de saturación para controlar la saturación. Ventajas: Aumento de la resistencia y disminución de la capacidad de deformación. Las partículas de menor tamaño son obligadas a ocupar los vacios. Cuando el suelo esta compactado aumenta o incrementa su valor soporte, disminuye su porosidad. El suelo mejora en las siguientes características: resistencia al corte, Comprensibilidad, relación, esfuerzo, deformación y densidad del suelo. C.B.R (CALIFORNIABEARINGRATIO) MTC E 132 Establece la relación entre la resistencia a la penetración de un suelo y capacidad de soporte para el tratamiento superficial de las carreteras, ver resultados de ensayos de laboratorio. La relación de soporte de California conocida como C.B.R, consiste en medir la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Se expresa en porcentajes como la razón de la carga unitaria que se requiere para introducir un pistón dentro del suelo, a la carga unitaria requerida para introducir el mismo pistón a la misma profundidad en una muestra tipo. Los valores de carga unitaria para las diferentes profundidades de penetración dentro de la muestra patrón están determinados. El C.B.R que se usa para proyectar, es el valor que se obtiene para una penetración de 0.1 da mayor C.B.R.
C.B.R = Carga unitaria / Carga unitaria patrón x 100 (%) Los ensayos de C.B.R se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido óptimo para el suelo específico, determinado utilizando el ensayo de compactación estándar. 3.- ENSAYO DE CORTE DIRECTO Objetivo: Determinar la cohesión y el ángulo de rozamiento interno que permitan establecer la resistencia al corte de los suelos ensayados. Descripción del ensayo: Consiste básicamente en someter una muestra de suelo de sección cuadrada de 2.5 cm de espesor, confinada lateralmente dentro de una caja metálica a una carga
normal (S) y a un esfuerzo tangencial (T), los cuales se aumentan gradualmente hasta hacer fallar a la muestra por un plano preestablecido por la forma misma de la caja (consta de dos secciones, una de las cuales es móvil y se desliza respecto a la otra que es fija produciendo el esfuerzo de corte. En el ensayo se determinan cargas y deformaciones. Equipo: Dial de corte horizontal, dial de corte vertical, pesas de carga, horno, cuchillo de arco con alambre acerado, muestra inalterada, máquina de corte directo (placa de 5x5x5, caja de corte) El aparato de corte directo consta de una caja de corte y dispositivos para aplicación de cargas verticales y horizontales así como también deformaciones verticales y horizontales. Finalidad: Determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga.
1) ENSAYO NO CONSOLIDADO NO DRENADO (UU). Es un ensayo rápido, donde el corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal (Pv); si el suelo es cohesivo y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros. Generalmente la recta intrínseca en el diagrama de τ contra σ es horizontal, donde τ =Cu. No se permite el drenaje de la muestra en
todo el ensayo. 2) ENSAYO CONSOLIDADO NO DRENADO (CU). En este ensayo se permite que la muestra drene ó se consolide durante la aplicación de la carga vertical, de modo que en el momento de aplicar el esfuerzo de corte las presiones intersticiales sean nulas, pero no durante la aplicación del esfuerzo cortante. 3) ENSAYO CONSOLIDADO DRENADO (CD). La velocidad de corte es lenta, se permite el drenaje de la muestra durante todo el ensayo siendo las presiones intersticiales nulas durante la aplicación del esfuerzo cortante. 1) ENSAYOS DE TENSIÓN CONTROLADA. Se aplica el esfuerzo horizontal, se miden las deformaciones hasta llegar hasta la estabilización, luego se aumenta la fuerza horizontal y así sucesivamente, hasta que llega el momento en que las deformaciones no se estabilizan, lo que nos indica que hemos sobrepasado la carga de rotura. 2) ENSAYOS DE DEFORMACIÓN CONTROLADA. La mitad móvil de la caja se desplaza a una velocidad determinada; los esfuerzos horizontales se van midiendo con un anillo dinamométrico conectado en serie con la fuerza horizontal. Preparación de la muestra: Se puede realizar sobre muestras inalteradas a fin de obtener resultados que se aproximen a las características que tiene el suelo en su estado natural. Se puede realizar tambien sobre muestras alteradas, previamente preparadas en el laboratorio a fin de obtener características similares de compacidad y contenido de humedad a los que tendrá puesto en obra. Además se puede ensayar la muestra tal como viene del campo o como haya sido preparada en el laboratorio utilizando el molde respectivo o tallando 4 probetas cuadradas con las siguientes dimensiones 5*5*1.8 cm. Procedimiento: Se determina el peso, el volumen y el contenido de humedad de la muestra. Colocar la muestra en la caja de corte directo e inmovilizarla. Enseguida colocamos la placa con los resaltos sobre la muestra.
Se coloca la esfera de acero sobre la placa de reparto y situar sobre ella, el yugo de aplicación de la carga vertical. Bajar dicho yugo con ayuda del tornillo de seguridad de la palanca de carga. Sobre el yugo colocar el extremo móvil de un deflectómetro para medir las deformaciones verticales de la caja. Colocar en la palanca las pesas necesarias para dar una presión vertical prevista. Leer el asiento registrado en el deflectómetro vertical. Mover el volante del aparato hasta que el pistón toque la caja. Encerar el deflectometro de desplazamiento vertical y el del anillo de carga Quitar los seguros de la carga. Comenzar el corte con una velocidad constante equivalente a 1 división del anillo por segundo (0.002 mm/seg). Tomar lecturas del deflectometro de deformaciones horizontales, verticales y del anillo de carga dada 30 divisiones (30 segundos). El corte se continúa hasta alcanzar una estabilización de las lecturas del deflectometro del anillo de carga o hasta superar las dos unidades de la caja de 6 mm. Después de descargar el aparato accionado el volante en el sentido contrario. Quitar el deflectometro de corrimiento vertical. Quitar la caja de yugo y desmontar la caja de corte. Las cargas en el plano de corte pueden conocerme mediante el ábaco respectivo. Estas operaciones se repiten tres o cuatro veces, diferenciándose los ensayos en la presión vertical aplicada.
4.- ESTABILIZACION DE UN SUELO Proceso mediante el cual se someten los suelos naturales a cierto mejoramiento o tratamiento de modo que podamos aprovechar sus mejores cualidades obteniéndose un suelo firme y estable capaz de soportar la carga necesaria así como las condiciones mas severas del clima del suelo a fin de hacerlo apto para su uso en bases y sub bases de pavimento” El proceso consiste en aumentar la densidad de un suelo, compactándolo mecánicamente. Objetivo: Hacer más estable el suelo. Se estabiliza un suelo cuando: Suelo de subrasante desfavorable, o muy arenoso o muy arcilloso. Materiales para base o sub-base en el límite de especificaciones. Condiciones de humedad desfavorables. En repavimentación, aprovechando los materiales existentes. Como se estabiliza: 1) Aumentar la densidad de un suelo, compactándola mecánicamente. 2) Mezclando a un material de granulometría gruesa, otro que carece de esa característica. 3) Estabilizando un suelo mezclándole cemento portland, cal hidratada, asfalto o cloruro de sodio. El uso de la cal está limitado a suelos que contengan minerales arcillosos, con los
cuales hacer la “acción puzolánica” que lentamente cementando las partículas del suelo. La
utilidad de la cal es para aquellos casos en los que no se necesite pronta resistencia. Este aglomerante es muy adecuado para bajar la plasticidad de los suelos arcillosos o para contrarrestar el alto contenido de humedad en terracerías o en bases y sub bases, siempre que éstas no sean muy arenosas. 3.1. SUELO-CEMENTO.- Consiste en mezclar un suelo con cemento, se produce un nuevo material, duro, con mejores características que el usado como agregado. Esta estabilización no
es tan sensible a la humedad como la hecha en asfalto. Pueden usarse todos los suelos para efectuarla, excepto los altamente orgánicos, aunque los más convenientes son los granulares, de fácil disgregado. Los limos, las arenas limosas y arcillas, todas las gravas y las arenas, son agregados adecuados para producir este material suelo-cemento, que tienen excelentes cualidades, que respecto a la de los suelos granulares. 3.2. SUELO-CAL.- El uso de cal para mejorar suelos con mayor plasticidad, mejorando su resistencia a la compresión sin confinar, produciendo una textura granular más abierta. La cantidad de cal es de un 2 a 8% en peso. Para que la cal reaccione convenientemente se necesita que el suelo tenga minerales arcillosos, o sea sílice y se pueda lograr la acción puzolánica, que aglomerará adecuadamente las partículas del suelo esto debe recordarlo el ingeniero de pavimentos. El suelo-cal, necesita la reacción química de los iones calcio y los minerales arcillosos, que lentamente adquieren resistencia. Una capa sub base para pavimento de concreto hecho de suelo cemento, permite iniciar la colocación de cimbras al rendir la compactación y empezar a colocar concreto a los dos días. Una ventaja del suelo cal es que su periodo de curado puede iniciarse más tarde. 3.3. SUELO-ASFALTO.- En algunos casos conviene estabilizar un material usando algún producto asfáltico para elaborar capas base o sub base. A esta base asfáltica también se los conoce como base negras. El uso de productos asfálticos (asfaltos rebajados, emulsiones asfálticas y cemento asfálticos) está limitado a suelos granulares o de partículas gruesas. Es muy difícil estabilizar un material arcilloso, por los grumos de esos suelos. La estabilización con asfalto puede tener dos fines: Reducir la absorción de agua del material, usando poca cantidad de asfalto. Incrementar la resistencia de un material usando mayor cantidad de asfalto, como en la base asfáltica.
5.- LICUACION DE SUELOS Es el proceso que conduce a esta pérdida de firmeza o rigidez es conocido como licuación del suelo. Este fenómeno está principalmente, más no exclusivamente, asociado con suelos saturados poco cohesivos. El término licuación, incluye entonces todos los fenómenos donde se dan excesivas deformaciones o movimientos como resultado de transitorias o repetidas perturbaciones de suelos saturados poco cohesivos. Factores que determinan el fenómeno de licuación:
Magnitud del movimiento sísmico.- Está relacionada con la magnitud de los esfuerzos y deformaciones inducidos en el terreno por este movimiento. Duración del movimiento sísmico.- La duración de un movimiento sísmico es corto (entre 5 a 40 segundos) Granulometría del suelo.- Los suelos más susceptibles a sufrir licuación son aquellos que poseen una granulometría uniforme, siendo las arenas finas uniformes las que son más propensas a licuar que las arenas gruesas uniformes. El problema de licuación será más serio si el suelo tiene un coeficiente de uniformidad mayor o igual a 2. Densidad Relativa.- Durante la ocurrencia de un terremoto, una arena suelta puede sufrir licuación mientras que este mismo suelo en un estado más compacto puede no evidenciar el fenómeno. Una arena con un valor de resistencia a la penetración estándar de 40 golpes/30cm (densidad relativa de70 a 80%) puede mostrar evidencias de licuación en la forma de volcanes de arena, pero no es probable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la influencia de la vibración sísmica, aún después de que se hayan desarrollado altas presiones de poros. En contraste con ello, arenas con valor de 20
golpes/pie (densidad relativa de 30 a 60%), pueden desarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentar deformaciones por corte muy grandes del orden del 25-30%, bajo la acción de los esfuerzos de corte aplicados. Profundidad del nivel freático.- Es una condición necesaria para que ocurra licuación. La presión de poros, producida por el agua que ocupa los vacíos existentes entre las partículas del material debido a la posición del nivel freático, se incrementa por efecto de la vibración producida en el movimiento sísmico. Por consiguiente, la ubicación del nivel freático cuando se produzca un terremoto en un depósito arenoso, será de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lo tanto, influirá también en el esfuerzo efectivo. Efectos dañinos que produce la licuación: Son tres tipos de falla del terreno asociados al fenómeno de licuación de suelos: 1) Desplazamiento lateral.- Es el tipo más común de falla del terreno por licuación de suelos, involucra el movimiento lateral de las capas superficiales como resultado de la licuación y la pérdida transitoria de la resistencia de las capas inferiores, esto ocurre generalmente en terrenos relativamente llanos (con pendientes comprendidas entre el 0.5 y5%). 2) Falla de Flujo.-Son las fallas del terreno más catastróficas causadas por el fenómeno de licuación. Los flujos pueden movilizarse a grandes distancias (decenas de metros) a altas velocidades (decenas de Km/h). Los flujos pueden involucrar suelo completamente licuado o bloques de suelo firme viajando sobre una capa de suelo licuado. Este tipo de falla se desarrolla generalmente en arenas saturadas, sueltas, con pendiente del terreno mayor que 5%. Muchas de las mayores y más dañinas fallas de flujo se han desarrollado bajo agua en áreas costeras. 3) Pérdida de la capacidad portante.- Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pueden ocurrir grandes deformaciones en el suelo, que ocasionan que la edificación se asiente, se incline o sumerja. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos común producida por licuación.
6.-APLICACIÓN DE LA NORMA E.050 PARA ESTUDIOS DE SUELOS EN LA LOCALIDAD DONDE LABORA. La aplicación de la norma E.050 para estudios de suelos, se emplea en todo el territorio peruano, la misma que considera los criterios mínimos necesarios, esta norma no considera los efectos de los fenómenos de geodinámica externa y no se aplica en los casos que haya presunción de la existencia de ruinas arqueológicas; galerías u oquedades subterráneas de origen natural o artificial. En ambos casos deberán efectuarse estudios específicamente orientados a confirmar y solucionar dichos problemas. Obligatoriedad de los estudios a. Casos donde existe obligatoriedad Es obligatorio efectuar el EMS en los siguientes casos: Edificaciones en general, que alojen gran cantidad de personas, equipos costosos o peligrosos, tales como: colegios, universidades, hospitales y clínicas, estadios, cárceles, auditorios, templos, salas de espectáculos, museos, centrales telefónicas, estaciones de radio y televisión, estaciones de bomberos, archivos y registros públicos,etc Cualquier edificación no mencionada en a) de uno a tres pisos, que ocupen individual o conjuntamente más de 500 m2 de área techada en planta. Cualquier edificación no mencionada en a) de cuatro o más pisos de altura, cualquiera que sea su área. Edificaciones industriales, fábricas, talleres o similares. Edificaciones especiales cuya falla, además del propio colapso, represente peligros adicionales importantes, tales como: reactores atómicos, grandes hornos, depósitos de
materiales inflamables, corrosivos o combustibles, paneles de publicidad de grandes dimensiones y otros de similar riesgo. Cualquier edificación que requiera el uso de pilotes, pilares o plateas de fundación. Cualquier edificación adyacente a taludes o suelos que puedan poner en peligro su estabilidad. En los casos en que es obligatorio efectuar un EMS, de acuerdo a lo indicado en este numeral, el informe del EMS correspondiente deberá ser firmado por un Profesional Responsable (PR). b. Casos donde no existe obligatoriedad de elaborar un EMS de acuerdo al numeral Sólo en caso de lugares con condiciones de cimentación conocida debidas a depósitos de suelos uniformes tanto vertical como horizontalmente, sin los problemas especiales de cimentación indicados en el Capítulo 6, con áreas techadas en planta de primer piso menores que 500 m2 , de hasta tres pisos y sin sótano, el PR podrá asumir los valores de la Presión Admisible del Suelo, profundidad de cimentación y cualquier otra consideración concerniente a la Mecánica de Suelos, basándose en no menos de 3puntos de investigación
hasta la profundidad mínima “p” indicada en el numeral 2.3.2.c.
Estos datos, incluyendo los perfiles de suelos, plano de ubicación de los puntos de investigación y fotografías, deberán figurar en un Informe Técnico que deberá elaborar el PR, el que no constituye un EMS. En general las entidades encargadas de hacer cumplir la norma e050 son En la región del Junin el Gobierno Regional, Municipalidades, Provinciales, Distritales y Entidades privadas que efectúan obras en el ámbito de la Región. Esta norma como refiere tanto para obras horizontales como verticales se hace cumplir de acuerdo a lo establecido en la misma siendo incluso incluida en estudios previos (elaboración de Perfiles) las cuales se profundizan mas exactamente en el proceso de elaboración del expediente técnico. En el ámbito de la región de Junin se tiene diferentes laboratorios que nos pueden garantizar la veracidad de los resultados como son SENCICO, Laboratorio de Mecánica de Suelos de la UNCP, UPLA, Laboratorio Misterio de transporte de Junin Como ente que vela por el cumplimiento de la norma es el CAP y el CIP. 7.INTERACCIÓN SUELO ESTRUCTURA - AMPLIFICACIÓN SÍSMICA FENÓMENO DE RESONANCIA Entre los problemas estructurales más comunes y peligrosos se encuentra el llamado primer piso blando, es decir el primer entrepiso de un edificio cuenta con una rigidez considerablemente menor en relación con el siguiente nivel. El problema en este caso es que la amplificación dinámica de la respuesta, y por tanto la distorsión de entrepiso a la que estará sujeto el piso blando, no se disminuye al aumentar la rigidez cuando se considera únicamente el comportamiento elástico. Desde el punto de vista de la dinámica del sistema, tanto el primer piso blando como los efectos de interacción suelo estructura se reflejan en un cambio de la rigidez, lo que lleva a pensar que ambos fenómenos podrían tener características similares. Si se hace una analogía entre ambos efectos (interacción suelo estructura y entrepiso blando), se piensa lógico considerar la presencia de un primer piso blando como un estrato de suelo en el cuál está desplantada una estructura equivalente a los niveles superiores, en otras palabras, un caso de base flexible igual al de los efectos de interacción suelo estructura. De esta manera, se puede ver que la diferencia principal desde el punto de vista estructural entre ambos efectos es la menor capacidad de deformación que tiene el piso blando antes de colapsar, en comparación a las deformaciones que puede sufrir el suelo sin fallar. En ese sentido la respuesta de la estructura ante las solicitaciones estáticas verticales y dinámicas (sismo) puede variar con respecto al estimativo que se realiza sin tener en cuenta la interacción suelo estructura en los siguientes aspectos:
La distribución de esfuerzos y deformaciones bajo la cimentación varía por la presencia de suelos blandos Los períodos de vibración de la edificación generalmente aumentan. Aumenta el amortiguamiento viscoso equivalente del sistema estructura-cimentación-suelo. Dado que la cimentación puede rotar y trasladarse, los desplazamientos de la estructura se incrementan, magnificando los efectos P- Δ (deficiente desempeño de columnas de bido a la presencia de efectos de segundo orden), especialmente en los edificios de gran altura. Cambian las fuerzas cortantes horizontales producidas por el movimiento sísmico. Cambian todas las solicitaciones en los elementos estructurales.
Los efectos de interacción suelo estructura no deben confundirse con los efectos de sitio, los causados por la amplificación de la onda sísmica al viajar desde la roca hasta la superficie Al considerar la estructura cimentada sobre un suelo flexible y no sobre un soporte rígido se modifican significativamente los parámetros dinámicos de la estructura, así como las características del movimiento del terreno cerca a la cimentación. El fenómeno de interacción suelo-estructura puede ser discriminado en dos aspectos diferentes: a) Interacción "cinemática": Es el fenómeno asociado a la modificación del ambiente sísmico como consecuencia de una inclusión rígida o casi rígida en un medio deformable. Esto ocurre con las plateas de fundación asentadas en suelos cuya rigidez es muy inferior a la propia de la platea. b) Interacción "dinámica": Es el fenómeno asociado a la modificación de amplitudes y frecuencias como consecuencia del acoplamiento dinámico entre la superestructura y el suelo de fundación. Ambos efectos se combinan de manera tal que los movimientos del suelo en la superficie libre en el lugar de observación, cuando no hay efectos producidos por construcciones, son muy diferentes de los observables en el mismo punto una vez construida la estructura, para el mismo evento sísmico. Amplificación sísmica fenómeno de resonancia 8.- COLAPSABILIDAD DE SUELOS POTENCIAL DE COLAPSO Se identifican como suelos Colapsables aquellos depósitos formados por arenas limos y en algunos casos cementados por arcillas y sales que si bien resisten cargas considerables en estado seco sufren pérdidas de su conformación estructural acompañadas de severas reducciones en el volumen exterior cuando su humedad aumenta o se saturan, definiendo este término como cualquier disminución rápida de volumen del suelo, producida por el aumento de cualquiera de los siguientes factores: Contenido de humedad (w) Grado de saturación (Sr)
Tensión media actuante (τ)
Tensión de corte (σ)
Presión de poros (u) El colapso por hundimiento son aquellos suelos, en que un aumento en el contenido de humedad, provoca una brusca disminución de volumen, sin la necesidad de un aumento en la presión aplicada. Por un lado una destrucción o un cambio en la estructura que el suelo tenía originalmente, y por el otro lado, un agente externo: el agua, que provoca este fenómeno.
En el proceso de consolidación de suelos saturados (Teoría clásica de Terzaghi) también se produce una disminución de volumen, pero puede decirse que en muchos aspectos el colapso es lo contrario de la consolidación. Tipos de suelo colapsables: Aluviales y Coluviales Eólicos Cenizas volcánicas Suelos residuales Este tipo de suelos se caracterizan por poseer estructura macro porosa, con relación de vacíos (e), entre relativamente alto, a muy alto, granulometría predominantemente fina, con predominio de fracciones de limos y de arcilla. El tamaño de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos más grandes escasamente meteorizados. La mayoría de las veces, la cantidad de la fracción arcilla es relativamente escasa, pero sin embargo, tiene una influencia importante en el comportamiento mecánico de la estructura inter granular. Para determinar el tipo de colapsabilidad del suelo se hacen pruebas de consolidación de laboratorio (ensayos de colapso: endométricos, triaxiales, etc.), en estas pruebas se reproduce el efecto de saturación súbita del terreno cuando se lo somete a una carga de magnitud prefijada. Además de los ensayos en laboratorio, se realiza una estimación del emplazamiento y se consideran los siguientes puntos: Cota del nivel freático y sus oscilaciones estacionales Antigüedad del terreno y consolidación Determinar tipo de cimentaciones a construir Los ensayos y análisis de colapsabilidad de estos suelos se identifican cuando el volumen de vacíos iguala a la cantidad de agua en el límite líquido para mayor cantidad de agua o menor volumen de vacíos el suelo es inestable Diseño de cimentaciones en suelo no susceptibles a la humedad Para fines de diseño real de cimentaciones, se llevan a cabo algunas pruebas de carga estándar en campo en depósitos de loes en Nebraska y en Iowa, en la figura siguiente note que las relaciones carga-asentamiento son esencialmente lineales hasta cierta presión crítica, pcr, en la cual se tiene una ruptura de la estructura del suelo y por consiguiente un asentamiento considerable. Las rupturas repentinas de la estructura de suelos son más comunes en suelos con contenido de agua natural alto que en suelos normalmente secos. Diseño de cimentaciones en suelo susceptibles a la humedad Si es probable que el estrato superior de suelo se humedezca y se colapse algún tiempo después de la construcción de la cimentación, deben considerarse varios procedimientos para evitar la falla de la cimentación, tales como: Si la profundidad esperada de humedecimiento es aproximadamente de 5 a 6.5 pies (4.5 a 2 m) desde la superficie del terreno, el suelo debe ser humedecido y recompactado por medio de rodillos pesados.
9.-
PROBLEMAS DE SUELOS DISPERSIVOS O ERODABLES
Los suelos dispersivos son aquellos que por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en el suelo, son susceptibles a la dispersión y a la posterior erosión de estas muy pequeñaa partículas a través de grietas o fisuras finas o de hendiduras en el suelo. Son altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos del flujo del agua. Incluso en algunos casos en agua en reposo.
Tipos de ensayos: Los suelos dispersivos no pueden ser identificados con una clasificación visual del suelo o con un índice de normas de ensayos tales, como el análisis granulométrico o los limites de Atterberg y por lo tanto a causa de ésto han sido ideados otros ensayos. Las arcillas deben ser ensayadas por características dispersivas como un procedimiento, de rutina realizable durante los estudios para presas de tierra y otras estructuras hidráulicas en el cual estas puedan ser empleadas. A continuación presentaremos algunos de los ensayos de laboratorio que algunos autores han usado para la identificación de este tipo de suelo. El Ensayo de Crumb El ensayo de Emerson Crumb (Emerson, 1967) fue desarrollado como un procedimiento simple para identificar el comportamiento dispersivo en campo, pero ahora es muy frecuente usado en el Laboratorio. El ensayo de Crumb entrega una buena indicación del potencial de erodibilidad de los suelos de arcillas; sin embargo un suelo dispersivo puede a veces dar una reacción no dispersiva en el ensayo de Crumb. Si el ensayo de Crumb señala dispersión, lo más probable es que el suelo sea dispersivo. Aqui cito los principales ensayos: •Ensayo de Pinhole Test ( ASTM D 4647 -93, USBR 5410-89) •Sales Solubles en el Agua de Poros •Ensayo del Doble Hidrómetro (ASTM D 4221 -90, USBR 5405-89) •Ensayo de Crumb (USBR 5400 -89)
El Ensayo del Doble Hidrómetro
10.- CLASIFICACIÓN DE SUELOS MÉTODOS SUCS Y AASHTO Teniendo una gran variedad de suelos, la ingeniería de suelos ha desarrollado algunos métodos de clasificación de los mismos. Cada uno de estos métodos tiene prácticamente, su campo de aplicación según la necesidad y uso que los haya fundamentado. El objetivo de la clasificación de suelos es de ordenarlos en grupos en base a su granulometría, esto nos facilita la comparación de sus propiedades entre distintos tipos de suelos. La clasificación del suelo es de suma importancia para la creación del modelo geotécnico y el diseño de cimentaciones en un terreno en específico, debido a que se requiere conocer el tipo de suelo en el lugar a realizar la futura obra de índole civil. Existen dos métodos estándar de clasificación se suelos según su granulometría que son: Sistema de clasificación según SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos). La clasificación SUCS se usa para cimentaciones. Sistema de clasificación según AASHTO (Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras Estatales y Transporte). La clasificación AASHTO se usa en vías. Clasificación de suelos métodos SUCS Este sistema clasifica los suelos en dos amplias categorías: “suelos de grano grueso que son de
naturaleza tipo grava y arenosa con menos del 50% pasando la malla 200 y los suelos de grano fino con 50% o más pasando la malla 200”.
Para clasificar apropiadamente un suelo utilizando este sistema, deben conocerse lo siguiente: El porcentaje de grava, el porcentaje de arena, el porcentaje de limo y arcilla Los coeficientes de uniformidad y curvatura El límite líquido e índice de plasticidad. LIMITES DE ATTERBERG El sistema unificado de clasificación de suelos no se concreta a ubicar el material dentro de uno de los grupos enumerados, sino que abarca, además, una descripción del mismo, tanto alterado como inalterado.
En los suelos gruesos en general, deben proporcionarse los siguientes datos: nombre típico, porcentajes aproximados de grave y arena, tamaño máximo de las partículas, angulosidad y dureza de las mismas, características de su superficie, nombre local y geológico y cualquier otra información pertinente de acuerdo con la aplicación ingenieril que se va a hacer del material. En suelos gruesos en estado inalterado, se añadirán datos sobre estratificación, compacidad, cementación, condiciones de humedad y características de drenaje. En suelos finos, se proporcionaran en general, los siguientes datos: nombre típico, grado y carácter de su plasticidad, cantidad y tamaño máximo de las partículas gruesas, color del suelo húmedo, olor, nombre local y geológico y cualquier otra información descriptiva pertinente de acuerdo con la aplicación que se vaya a hacer del material. Respecto del suelo en estado inalterado, deberá agregarse información relativa a su estructura, estratificación consistencia en los estados inalterados y remoldeados, condiciones de humedad y características de drenaje
Clasificación de suelos métodos AASHTO Esta clasificación Es una de las populares en carreteras y originalmente fue desarrollada por los ilustres geotécnicos Terzaghi y Hogentogler, inspirada en el modelo de Casagrande. Considera la categoría de los suelos granulares; gravas, arenas y zahorras; está compuesta por los grupos A-1, A2 y A-3, y su comportamiento en explanadas es, en general, de bueno a excelente, salvo los subgrupos A-2-6 y A-2-7, que se comportan como los suelos arcillosos debido a la alta plasticidad de los finos que contiene, siempre que el porcentaje de estos supere el 15%. Los grupos incluidos por los suelos granulares son los siguientes: A-1: Corresponde a una mezcla bien graduada de gravas, arenas (gruesa y fina) y finos no plásticos o muy plásticos. También se incluyen en este grupo las mezclas bien graduadas de gravas y arenas sin finos. A-1-a: Incluye los suelos con predominio de gravas, con o sin material fino bien graduado A-1-b: Incluye suelos constituidos principalmente por arenas gruesas, con o sin material fino bien graduado. A-3: Corresponde a suelos constituidos por arena fina de playa o de duna, de origen eólico, sin finos limosos o arcillosos o con una pequeña cantidad de limo no plástico. También incluyen este grupo, los depósitos fluviales de arena fina mal graduada con pequeñas cantidades de arena gruesa o grava. A-2: Este grupo comprende a todos los suelos que contienen un 35% o menos de material que pasa por el tamiz nº 200 y que no pueden ser clasificados en los grupos A-1 y A-3, debido a que el porcentaje de finos o la plasticidad de estos están por encima de los límites fijados para dichos grupos. Por todo esto, este grupo contiene una gran variedad de suelos granulares que estarán entre los correspondientes a los grupos A-1 y A-3 y a los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7. A-2-4 y A-2-5: En estos subgrupos se incluyen los suelos que contienen un 35% o menos de material que pasa por el tamiz nº 200 y cuya fracción que pasa por el tamiz nº 40 tiene las características de los grupos A-4 y A-5, de suelos limosos. En estos subgrupos están incluidos los suelos compuestos por grava y arena gruesa con contenidos de limo o índices de plasticidad por encima de las limitaciones del grupo A-1, y los suelos compuestos por arena fina con una proporción de limo no plástico que excede la limitación del grupo A-3. A-2-6 y A-2-7: En estos subgrupos se incluyen suelos como los descritos para en los subgrupos A2-4 y A-2-5, excepto que los finos contienen arcilla plástica con tienen las características de los grupos A-6 y A-7.
La categoría de los suelos limo-arcillosos está compuesta por los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7, cuyo comportamiento en explanadas ve de regular a malo. En esta categoría los suelos se clasifican en los distintos grupos atendiendo únicamente a su límite líquido y a su índice de plasticidad, según las zonas del siguiente gráfico de plasticidad. De esta forma se clasifican también los suelos del grupo A-2 en los distintos subgrupos. La clasificación realizada de esta manera se complementa con el índice de grupo, que permita caracterizar mejor cada suelo dentro de los grupos, ya que estos admiten suelos con porcentajes de finos y plasticidad muy diferentes. El índice de grupo de obtiene mediante la siguiente expresión: ( )[ ( )] ( )( )
Siendo: F: % en peso que pasa por el tamiz 200 del material inferior a 75 mm, expresado en número entero. LL: Límite líquido IP: Índice de plasticidad. Cuando se aplica esta fórmula se deberá observar las siguientes reglas. Cuando el IG calculado resulte negativo, será reportado como cero Se reporta el número entero más cercano Cuando se calcule el IG de los suelos pertenecientes a los subgrupos A-2-6 y A-2-7, deberá emplearse solo la porción de la fórmula que contenga el IP El IG generalmente se muestra entre paréntesisdespués del símbolo de grupo. Debido al criterio que define a los subgrupos A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-3-5 y al grupo A-3, sus IG = 0, por lo que en la clasificación usualmente se omite el IG de dichos suelos. Originalmente el IG fue utilizado directamente en el diseño de espesores de pavimentos por medio del Método del Indice de Grupo, pero este enfoque ya ha sido superado por metodología más racionales y los valores de índice de grupo se usan actualmente sólo como una guía. 11.- CIMENTACIONES SUPERFICIALES. Las Cimentaciones Superficiales reparten la fuerza que le transmite la estructura a través de sus elementos de apoyo sobre una superficie de terreno bastante grande que admite esas cargas. Se considera cimentación superficial cuando tienen entre 0,50 m. y 4 m. de profundidad, y cuando las tensiones admisibles de las diferentes capas del terreno que se hallan hasta esa cota permiten apoyar el edificio en forma directa sin provocar asientos excesivos de la estructura que puedan afectar la funcionalidad de la estructura; de no ser así, se harán Cimentaciones Profundas. Debe considerarse como posible que en un mismo solar se encuentren distintos tipos de terreno para una misma edificación; ésto puede provocar asientos diferenciales peligrosos aunque los valores de los asientos totales den como admisibles. Existen varios tipos de Cimentaciones Superficiales, los cuales se detallan a continuación: Terreno Firme a Profundidad Asequible Cimentación Continua de Mampostería u Hormigón en Masa. Cimentación Continua de Hormigón Armado. Macizos Aislados de Hormigón en Masa. Zapatas Aisladas de Hormigón Armado (rígidas y flexibles). Terreno Firme a Profundidad Media Cimentación por pilares y arcos. Cimentación por pilares y vigas. Terreno Firme a Gran Profundidad
(Pero con posiblidad de cimentación superficial con tensiones bajas) Cimentación por vigas flotantes de hormigón armado. Cimentación por losa de hormigón armado. 12.-PLATEAS DE CIMENTACIÓN TIPOS USOS. Las Cimentaciones por Losa, también conocidas como Cimentaciones por Placa o Plateas de Fundación, son aquellas Cimentaciones Superficiales que se disponen en plataforma, la cual tiene por objeto transmitir las cargas del edificio al terreno distribuyendo los esfuerzos uniformemente. Estas losas llevan una armadura principal en la parte superior para contrarrestar la contrapresión del terreno y el empuje del agua subterránea, y una armadura inferior, debajo de las paredes portantes y pilares, para excluir en lo posible la producción de flechas desiguales. En casos de terrenos de poca resistencia para cimentación (inferior a 1 kg/cm2), puede ocurrir que las zapatas de los pilares aislados tiendan a juntarse. La cimentación por losa es una buena solución cuando:
La construcción posee una superficie pequeña en relación al volumen (rascacielos, depósitos, silos). La base de cimientos calculada resulta tal que la transmisión de carga a 45º representa una profundidad excesiva. El terreno tiene estratificación desigual y son previsibles asientos irregulares El terreno de asiento es flojo y de gran espesor y los pilotes a colocar serían exageradamente largos.
13.-CIMENTACIONES EN SUELOS ARENOSOS Y CIMENTACIONES EN SUELOS ARCILLOSO. Suelos Arcillosos: En mecánica de suelos se define como arcilla a las partículas de cualquier sustancia inorgánica menores a 0,02 mm., tamaño para el cual empiezan a tener influencia las acciones fisicoquímicas. Los terrenos arcillosos son en principio, los más peligrosos para cimentar. En ellos se pueden producir grandes asientos en un largo o aun larguísimo plazo de tiempo, y es en los que el conocimento de su comportamiento bajo cargas ha progresado más en los últimos años. Experimentalmente se determinó que el tiempo de asentamiento de los estratos arcillosos es proporcional al cuadrado de su espesor es decir, que si por ejemplo la fundación de un edificio descansa sobre un estrato de 2 metros de espesor y el asiento se produce en cuatro años, esta duración seria de 16 años si el espesor fuera de cuatro metros y de 100 años si el espesor fuera de diez metros. Si el espesor del estrato arcilloso es de muchos metros, hecho que se ha comprobado en algunos edificios famosos como el Duomo de Koenigsberg que 500 años despues de haber sufrido un cedimiento de 180 cm no ha llegado aún a su posición de equilibrio. Otro edificio conocide que ha sufrido el mismo fenómeno es la célebre Torre de Pisa, que recientemente ha sido consoliadada y reforzada en su cimentación. En este tipo de terrenos las pruebas de carga son inútiles para conocer su comportamiento. Lo que más influye en la duración del asentamiento es el contenido de agua del estrato y su permeabilidad, así como la del terreno adyacente, pues si una arcilla con un elevado contenido de
agua es sometida a una carga, su asentamiento instantáneo es casi nulo, ya que el agua ( que es incomprensible ) es quien soporta la carga. La presión hace que el agua trate de fluir desocupando los huecos que ocupa la arcilla, pero este fluir es lento y dificultado cuanto más impermeable es el estrato, por lo que se comprende que en terrenos de arcilla muy pura y gran espesor el equilibrio demore muchos años en ser alcanzado. De lo dicho deducimos que puede cimentarse en terrenos arcillosos, pero cuidando que las cargas estén uniformemente repartidas en la planta del edificio, dando a las bases las dimensiones necesarias para que la carga por unidad de superficie sea la misma Suelos arenosos: se incluyen en esta categoría no solo los terrenos formados por partículas de tamaño superior a las partículas de arcilla, sino los que contengan cantidad o porcentajes de arcilla inferior al volumen de huecos que dejan las partículas de mayor tamaño, pues su comportamiento será como un suelo arenoso. La aplicación de las cargas en estos terrenos produce rápidamente un asiento, que termina cuando se llega a la posición de equilibrio. Según las cargas a que están sometidos, son los asientos que se producen. Estos son inversamente proporcionales al tamaño del árido, aumentando con el árido de menor tamaño. No pueden darse datos ni resultados prácticos debido a la gran variabilidad de clases de terrenos que pueden presentarse, pero todos ellos son buenos para cimentar. En este tipo de terreno puede realizarse una prueba de carga, sobre la mayor superficie posible para conocer el asiento. De lo anterior vemos que el comportamiento del suelo es complejo y no se puede manejar con una simple planilla como ocurre con los otros materiales. Toda estructura se divide en dos partes fundamentales, la que está sobre el suelo y la que está debajo del suelo, diferentes y que deben diseñarse razonamientos diferentes. Cargas admisibles: para el diseño de una cimentación debemos conocer la capacidad de carga del terreno, esta capacidad se determina generalmente mediante ensayo del suelo. La carga admisible depende de los siguientes elementos: Del tipo de terreno., la construcción en si y su conjunto, de los asientos que se pueda producir, de las dimensiones de la cimentación, del tiempo de carga en la construcción, de las vibraciones que puedan afectar a la construcción. La carga admisible depende de los asientos, que deben ser compatibles con la capacidad de deformación de la estructura, o depender unicamente de condiciones de resistencia. En este caso, es el cociente entre la carga de rotura del terreno y el coeficiente de seguridad. Como coeficiente de seguridad es habitual considerar 3 para la combinación más desfavorable de las acciones de peso propio, sobrecarga normal de uso y viento; y 2 para la combinación más desfavorable de las acciones de peso propio, sobrecargas máximas, viento y sismo. Asientos admisibles: Los asientos admisibles son los asientos ( totales y diferenciales ) máximos que tolera la estructura, incluyendo entrepisos y tabiques, sin que se produzcan daños, como fisuras, descensos o giros que inutilicen la obra. Definimos como distorsión angular al cociente entre el asentamiento diferencial entre dos columnas vecinas y la distancia entre ejes. Se acepta que si la distorsión es menor a 1/500 no aparecen fisuras en los muros de cierre; que hasta 1/360, se produce sólo una ligera fisuración en los cerramientos; hasta 1/250 no es visible a simple vista; para 1/180 puden aparecer lesiones en la estructuras de hormigón armado; y para 1/150 pueden dañarse las estructuras metálicas. Las estructuras metálicas admiten,en general, mayores deformaciones que las de hormigón, aunque las de hormigón armado
tienen un mejor comportamiento frente a las deformaciones lentas debido a la fluencia del hormigón. Para evitar los asientos diferenciales debe procurarse que la tensión del terreno bajo las zapatas sea la misma. Sin embargo, como el terreno no es de calidad uniforme, hay inevitablemente asientos diferenciales que pueden alcanzar a 2/3 del asiento total. Puede admitirse un asentamiento total entre 2 y 4 cm para estructuras con mampostería, y entre 4 y 7 cm para estructuras con pórticos de hormigón armado o metálico. El asentamiento total depende, entre otros factores, de: La distribución de los distintos estratos de suelo y sus espesores, que deterrmina por medio de sondeos. Las características geotécnicas de cada suelo, en especial el índice de poros y el coeficiente de compresibilidad, que se conocen por medio de ensayos ( para arcillas ). La distribución de tensiones y el valor de la tensión máxima. Efectos de las acciones dinámicas del sismo: La respuesta de una estructura que está sometida a un sismo, depende de las características dinámicas de la estructura y de las características del sismo. Estas últimas dependen de las propiedades dinámicas del terreno de fundación y la distancia al epicentro. Del tipo de terreno dependen las frecuencias predominantes en las ondas del sismo y la distancia es importante por que las frecuencias más altas se van atenuando a medida que la distancia al foco es mayor. Es evidente que la naturaleza del terreno tiene una gran importancia en los colapsos de estructuras durante los terremotos. Se ha observado en general, que en suelos firmes. Las construcciones han sufrido menos daños que las estructuras cimentadas en suelos blandos. Pero por otro lado, se han reportado casos en que construcciones situadas en terrenos blandos han sufrido menos daños que otras ubicadas en terrenos firmes. Por ello se recomienda emplear estructuras flexibles en suelos firmes y estructuras rigidas en suelo blando, a pesar de que esto ocasiona problemas de cimentación para las estructuras rígidas apoyadas en suelo blando. Un factor a considerar es que la correlación entre el daño y la duración del sismo es mayor en los suelos blandos. 14.-DINAMICA DE SUELOS. La Dinámica de suelos es una parte de la mecánica de suelos que trata el comportamiento y respuesta del suelo durante la aplicación rápida de carga, uso de vibraciones para la mejora de propiedades de transmisión de ondas para evaluar las propiedades del terreno. El estudio de la dinámica del suelo muestra que sigue un proceso evolutivo al que son por completo aplicables los conceptos de la sucesión ecológica. La formación de un suelo profundo y complejo requiere, en condiciones naturales, largos períodos de tiempo y el mínimo de perturbaciones. Donde las circunstancias ambientales son más favorables, el desarrollo de un suelo a partir de un sustrato geológico bruto requiere cientos de años, que pueden ser millares en climas, topografías y litologías menos favorables. Los procesos que forman el suelo arrancan con la meteorización física y química de la roca bruta. Continúa con el primer establecimiento de una biota, en la que frecuentemente ocupan un lugar prominente los líquenes, y el desarrollo de una primera vegetación. El aporte de materia orgánica pone en marcha la constitución del edafon. Éste está formado por una comunidad de descomponedores, bacterias y hongos sobre todo, y detritívoros, como los colémbolos o los diplópodos, e incluye también a las raíces de las plantas, con sus micorrizas. El sistema así formado recicla los nutrientes que circulan por la cadena trófica. Los suelos evolucionados, profundos,
húmedos y permeables suelen contar con las lombrices de tierra, anélidos oligoguetos comedores de suelo, en su edafon, lo que a su vez favorece una mejor mezcla de las fracciones orgánica y mineral y la fertilidad del suelo. 15.-USOS DE GEOMENBRANAS Y GEOSINTETICOS COMO ESTABILIZADORES DE SUELOS. Materiales utilizados para mejorar las propiedades del suelo. Su uso es novedoso y creciente por su fácil aplicación. Poseen propiedades mecánicas e hidráulicas, útiles para ciertos suelos. 15.1 GEOSINTÉTICOS Son materiales fabricados a partir de varios tipos de polímeros derivados del petróleo, que mejoran las propiedades mecánicas de los suelos y hacen posible la ejecución de proyectos de ingeniería civil y geotécnica en difíciles condiciones. De igual forma los podemos usar simplemente para protección de los suelos. 15.1.1 a) b) c) d) e) f)
BENEFICIOS Reduce los costos en la construcción. Sirve como barrera contra la erosión de suelos. Funcionan como manto drenante, en reemplazo de estratos de material granular. Es inerte frente a la mayoría de agentes químicos. Refuerza el suelo, mejorando sus cargas últimas. Permite la construcción de taludes de gran inclinación, inclusive de muros verticales de gran altura.
15.1.2 FUNCIONES DE LOS GEOSINTÉTICOS Los Geosintéticos se utilizan para satisfacer las siguientes funciones: a. Separación b. Filtración c. Drenaje d. Refuerzo e. Protección
