Cimentaciones - Mejoramiento Del Suelo y Modificacion Del Terreno - Drenes de Arena y Drenaje Vertical

C U R S 0

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL : CUSCO C I M E T A C I O N E S

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

MEJORAMIENTO DEL SUELO Y MODIFICACIÓN DEL TERRENO POR MEDIO DE DRENES DE ARENA Y DRENES DOCENTE M!S"!I#$! Re$%& N! P&tr%"%& YA'UETTO PAREDES DE RODRI(UE) A LU M N O



TA R R A ( A R O D R I ( U E ) J O E L E F R A I N

Semestre 2015 – I

0*0+,,

CONTENIDO

1.0 Mejora Mejorami mient entoo de dell suelo suelo y modifi modificac cación ión de dell terre terreno no 01 1.1. Introducción 02 1.3. Fines 02 2.0. Marco Teórico 03 2.1 Influe Influenci nciaa de las las cond condici icione oness de agua agua sobre sobre la la capac capacida idadd de car carga ga 04 2.2 Tcni Tcnicas cas de mejora mejora de suelos suelos m!s emple empleada adass 04 2.3 "plicaciones "plicaciones de las tcnicas de mejora del terreno 0# 3.1 $renes de arena 0% 3.2 &roceso de construcción 0% 3.3 Funcione 0' 3.4 $i $ise(o en drenes de arena 10 4.1 $renes )ertical 11 4.2 Mejora del *uelo 11 4.3 Tiempo de +onsolidación 12 4.4 "plicación 12 4.# )entajas del *istema 13 4., $ise(o en drenes prefabricados -erticales 13 4.,.1 "spectos a considerar en la elección del dren -ertical 13 4.,.2 Factores ue inter-ienen en el dise(o del dren -ertical 14 4.,.3 &rocedimiento para determinar la longitud y la separación /oriontal de los drenes drenes -ertical -erticales es 1% #.1 +omentarios 1' #.2 +onclusiones 1' #.3 ecomendaciones 20 ,.0 ibliografa 21 ,.1 Tetos +onsultados 21 ,.2 &aginas 5eb 21 6.0 "neos Material ibliografico en &$F 7+$8

PRESENTACION 9as condiciones /idrogeológicas del terreno de cimentación tienen una importancia fundamental a la /ora de determinar la capacidad de carga de las cimentaciones directas o superficiales. &or ello es ue se /a de buscar di-ersas formas de mejorar la capacidad admisible del suelo de tal manera ue este resulte con-eniente tanto para la construcción como para la sustentabilidad del proyecto. "ctualmente: se utilian principalmente dos mtodos de drenaje ue ayudar!n considerablemente a superar los problemas de baja capacidad portante; $renes de arena: $renes )erticales.
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1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES 1.1.INTRODUCCION 9a mejora del terreno como solución a la cimentación de todo tipo de estructuras es una tcnica conocida desde /ace muc/o tiempo. 9as tcnicas m!s modernas como pueden ser la compactación din!mica: las mec/as drenantes y las columnas de gra-a: aunue empleadas con anterioridad: /an sufrido un fuerte auge durante la dcada de los '0 y en la actualidad. 7="+>" ?.: 20128 9a profundiación permanente de la capa fre!tica casi superficial: en el caso de los suelos o terrenos de arena fina o limo: mejora notablemente las capas superficiales: sobre todo cuando se trata de cimentar caminos: onas de estacionamiento 7aparcamiento8 y construcciones residenciales de poca ele-ación.
1.2 OBJETIVOS •

• •

•

Identificar el problema ue causa la presencia de agua durante las cimentaciones.
1.3 FINES •

•

•

Tener en cuenta ue eisten soluciones eficientes ante la presencia de capa fre!tica o acuferos.
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•

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+onocer a las entidades y grupos ue brindan el ser-icio: materiales y mauinaria. $e lo contrario estar capacitados para dise(ar un sistema de drenaje eficiente.

2. MARCO TEÓRICO 2.1 INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE AGUA SOBRE LA CAPACIDAD DE CARGA 9as condiciones /idrogeológicas del terreno de cimentación tienen una importancia fundamental a la /ora de determinar la capacidad de carga de las cimentaciones directas o superficiales. 7B<<": 200#8
2.1.1 Caso I
Fig!a 1"CASO I # $ D1 $ D%
ϒ

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sat G peso especfico saturado del suelo

ϒ

H G peso especfico del agua

ϒ

"dem!s: el -alor de sustituye por; ϒ

ϒ

en el Altimo trmino de las ecuaciones se

 G ϒ sat J ϒ H

2.1.2 Caso II

Fig!a 2" CASO II # $ & $ B

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2.1.3 Caso III +uando el ni-el fre!tico se localia de manera ue d L : el agua no afectar! la capacidad de carga Altima.

2.2 T'CNICAS DE MEJORA DE SUELOS M(S EMPLEADAS *on las siguientes;

a) P!*+a!ga +onsiste en sobrecargar un terreno de forma superficial mediante la una aportación de tierras: generalmente en forma de terrapln: ue d lugar a una carga superior a la ue -a a estar sometida en ser-icio. $e esta forma se acelera la consecución de los asientos de ser-icios y la obtención de un asiento residual aceptable.
,) D!*-*s M*+a
+) Co/0a+a+i- &i-/i+a

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&) Co4/-as &* g!a5a
Fig!a 6" S*+*-+ias *- 4a *7*++i- &* 4as +o4/-as &* g!a5a8 0o! 59a s*+a : &*s+a!ga i-%*!io!

2.3 APLICACIONES DE LAS T'CNICAS DE MEJORA DEL TERRENO 9a mejora del terreno es una tcnica ue presenta grandes -entajas en obras en las ue se presenten los siguientes problemas; • • • •

*uelos blandos de estratos delgados o no muy profundos *uelos blandos de gran potencia con carga medias o bajas +argas superficiales @bras lineales o superficiales para disminuir asientos diferenciales

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&or ello son idóneas en obras del tipo; • • • • • • • •

Ca-es industriales y comerciales "lmacenes *ilos y depósitos
2.6 T'CNICAS DE MEJORAMIENTO DEL SUELO POR DRENAJE 2.6.1 SUELOS AFECTADOS +omo se mencionó en el tem anterior: el agua afectar! principalmente a suelos blandosK para complementar lo dic/o se presenta la siguiente tabla;

Ta,4a 1"CARACTE;STICAS DE UTILI
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3.1 DRENES DE ARENA CIMENTACIONES

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3.2 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN 1. 9os drenes de arena se construyen taladrando agujeros a tra-s de los estratos de arcilla en el campo a inter-alos regulares y los agujeros Fig!a =" DRENES DE ARENA

son rellenados con arena.
a) &or perforación rotatoria y luego rellenando con arena ,) &or perforación con barrenas de paso continuo con -!stago /ueco y luego rellenando con arena 7a tra-s del -!stago /ueco8 +) Bincando pilotes /uecos de aceroK el suelo dentro del pilote es epulsado con c/orros de agua y despus se procede a rellenarlo con arena. 2. $espus de rellenar con arena los agujeros perforados: se aplica una sobrecarga en la superficie del terreno.
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$onde; Nr G grado promedio de consolidación con drenaje radial Anicamente N-Ggrado promedio de consolidación con drenaje -ertical Anicamente

3.3 FUNCIONES
3.6 DISE>O EN DRENES DE ARENA EJEMPLO 1 $urante la construcción de un puente de una carretera: la carga permanente promedio sobre el estrato de arcilla se espera ue aumente en aproimadamente 11# OCPm2. 9a presión de sobrecarga efecti-a promedio a la mitad del estrato de arcilla es de 210 OCPm2. "u BcG,m: +cG0.2%: e0G0.' y +) G0.3,m2Pmes. "dicionando algunos drenes de arenaK suponga ue rHG0.1m: deG3m: +) G+)T: y ue la sobrecarga se aplica instant!neamente. 9a arcilla esta normalmente consolidada. $etermine;

a)
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,) 9a sobrecarga: 7f8: necesaria para eliminar todo el asentamiento por consolidación primaria en nue-e meses mediante precompresión. So4+i-" Pa!* a
SC?P) @ 1. // Pa!* , *e tiene T) G +)t2PB2 +- G 0.3, m2Pmes B G 3m 7drenaje en dos sentidos8 t2G ' meses

$e las tablas 14.# para n G 1# y Tr G 0.3,: el -alor de Nr es aproimadamente de 66Q de au; N-:rG 171N-871Nr8 G 1710.,68710.668 G 0.'24 G '2.4Q

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6.1 DRENES VERTICALES O DRENES DE MECA 9a estabiliación del suelo mediante drenaje -ertical se aplica en terrenos comprimibles y saturados de agua: como los de arcilla y turba.
6.2 MEJORA DEL SUELO 9a carga ue ejerce sobre el subsuelo una ele-ación del terreno es inicialmente totalmente absorbida por el agua intersticial.
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Fig!a " MODO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DRENES VERTICALES

6.3 TIEMPO DE CONSOLIDACIÓN &ara acelerar el proceso de asentamiento y la disminución de presión del agua: es necesario acortar el camino ue debe recorrer el agua intersticial a tra-s del suelo.
•

•

&royectos de desecación de tierras

•

+onstrucción de puertos

•

Ronas residenciales e industriales

•

*obrecarga de terrenos de almacenaje

•

6.= VENTAJAS DEL SISTEMA
•

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•

•

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+orto periodo de consolidación mediante la aplicación de peue(as distancias de drenaje Co es necesaria el agua durante la instalación

•

Instalación /asta una profundidad de drenaje de ,# m

•

*encillo control sobre la instalación.

•

Fig!a " UTILI
6. DISE>O EN DRENES PREFABRICADOS VERTICALES 6..1 As0*+os a +o-si&*!a! *- 4a *4*++i- &*4 &!*- 5*!i+a4. 9os drenes proporcionan una nue-a trayectoria para ue el agua ue est! en los poros escape del suelo en consolidación recorriendo una distancia m!s corta de la ue sera necesaria sin ellos y por lo tanto la -elocidad de escape del agua se incrementaK tambin permite ue el flujo dentro del suelo sea en la dirección /oriontal. Se ha expresado la opinión de que la alteración del suelo durante la colocación del dren puede provocar una drástica disminución en la permeabilidad y de la resistencia al esfuerzo cortante y un incremento de la presión de poro, lo que puede disminuir el beneficio esperado de los drenes verticales. (CS!"#$% y &')'S, *++-.

Nn raonamiento ue puede conducir al uso de drenes -erticales: es el considerar los resultados de consolidación unidimensional de las pruebas de laboratorio. &or ejemplo: en cierto caso: el tiempo reuerido para alcanar el %0Q de consolidación en una pastilla de suelo de 2cm de espesor fue de 3.6 /rs. *i este resultado se traslada a un caso real en el ue el estrato de arcilla tiene un espesor de ,.#m y est! entre dos estratos permeables 7lo ue est! modelado con las piedras porosas en el CIMENTACIONES

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consolidómetro8: entonces el tiempo reuerido para alcanar el %0Q de consolidación se puede estimar con la relación;

$ónde; •

•

•

•

1: es el tiempo reuerido para alcanar el %0Q de consolidación en la prueba de laboratorio. 28 es el tiempo necesario para alcanar el %0Q de consolidación en el estrato real de suelo ue se est! modelando con la prueba de laboratorio. *1: es la distancia m!ima ue recorre una partcula de agua en la muestra de suelo ue est! siendo consolidada unidimensionalmente.
6..2 Fa+o!*s * i-*!5i*-*- *- *4 &is*o &*4 &!*- 5*!i+a4. &ara elegir las caractersticas geomtricas de los drenes y su separación en planta: se /ace el siguiente an!lisis; +uando se colocan drenes -erticales en un suelo: el drenaje ocurre tanto en planos -erticales como en planos /oriontales y por lo tanto en el mtodo de dise(o se debe tomar en cuanta dic/a condición de flujo. 9a e-aluación de la consolidación -ertical por drenaje -ertical se basa en la teora de la consolidación unidimensional propuesta por Terag/i 71'438K el promedio de consolidación en un suelo /omogneo est! epresada por;

Ecuación 3.1.2.1

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$ónde; N- G &romedio de consolidación -ertical. C G numero entero: para tomar en cuenta Anicamente los -alores impares de la serie senoidal infinita.

+-G coeficiente de consolidación -ertical ue depende de la estructura del suelo y del cambio de esfueros debido a la cargas eternasK tGtiempo para alcanar cierto grado de consolidaciónK BeG distancia efecti-a ue tiene ue recorrer una partcula de agua para alcanar la frontera permeableK v/coeficiente de permeabilidad vertical0 mv/coeficiente de variación volum1trica0 23/peso volum1trico del agua.

9a solución de la ecuación anterior se presenta m!s adelante en la gr!fica;

Fig!a 11" SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIA PARA FLUJO VERTICAL ?T5) Y PARA FLUJO RADIAL ?TR)

9a solución al problema matem!tico ue representa el comportamiento de un suelo al ser sometido a flujo radial por los drenes -erticales apareció posteriormente a la utiliación de los drenes 7endulic: 1'3#K +arrillo: 1'42K arron: 1'448K lo cual es: un buen ejemplo: de la solución teórica despus de la aplicación ingenieril
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tanto el agua como las partculas ue conforman el suelo son incompresibles: ue el agua llena totalmente los -acos del suelo y ue es aplicable la ley de $arcy: se puede demostrar ue la ecuación diferencial ue modela el cambio de presión de poro con el tiempo es la siguiente;

$ónde; r G radio de influencia del dren: calculado como m!s adelante se indica.

+- K +oeficiente de consolidación /oriontal. O/G K +oeficiente de permeabilidad en la dirección /oriontal.

para

t =0

y

rw < r <ℜ ; ∆ p incrementode presion dela carga colocada; t =tiempo; rwes el radio del dren

7tambin es el radio eui-alente para drenes rectangulares8K re radio de influencia del dren. S las condiciones de frontera para los drenes -erticales son; u= 0 para r < rw

u= maxima parar =ℜ

r=

de 2

K adio de influencia del mismoK $e es el di!metro eui-alente de

influencia.
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+uando los drenes est!n distribuidos en forma triangular 7parte b8 de la Figura : re se determina tambin igualando el !rea del /e!gono con apotema igual a $P2: con el !rea de un circunferencia eui-alente de di!metro $e ;

$ es la separación centro a centro entre drenes

Fig!a 12" PLANTA DRENES

$os patrones comunes en ue se instalan los drenes -erticales en campo 7-ista en planta8K se indica el significado del di!metro eui-alente para ambos casosK *s *4 !a&io &*4 &!*-. +on-iene obser-ar ue el di!metro eui-alente es m!s aproimado al cilndrico: cuando el espaciamiento en la disposición de los drenes es de forma triangular ue de forma rectangular "u se est! aceptando ue los drenes son de sección trans-ersal circular: sin embargo si se emplean drenes tipo banda 7band drains8: se tendra ue obtener un di!metro eui-alente circular del dren 72rH8 para poder ser 9a e-aluación del grado de consolidación debido al drenaje /oriontal pro-ocado por los drenes -erticales es m!s difcil. $esde el punto de -ista pr!ctico los drenes -erticales pueden ser instalados en un arreglo cuadrado CIMENTACIONES

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o triangular y por lo tanto el problema no es antisimtrico. Co eiste una solución analtica para esta condición de la pr!ctica as ue es usual aproimar el problema considerando un dren de sección circular en el centro de un cilindro de influencia para la consolidación del suelo empleado en las soluciones: dic/o di!metro se determina con la siguiente epresión;

$ónde; a es el anc/o del dren y b es el espesor 7Bansbo: 1'6'8.
6..3 P!o+*&i/i*-o 0a!a &**!/i-a! 4a 4o-gi& : 4a s*0a!a+io!io-a4 &* 4os &!*-*s 5*!i+a4*s. " continuación se presenta un procedimiento paso a paso para determinar la separación /oriontal de los drenes -erticales ue se emplearon para el proyecto de an!lisis: bas!ndose en la información antes descrita. 1.
=

90

&ara poder calcular este par!metro es necesario /acer inter-enir algunas propiedades mec!nicas del suelo. $e los resultados de las pruebas de consolidación se puede calcular el -alor promedio de +- como;

$ondeT#0 G0.20: segAn la cur-a teórica mostrada en la Figura CIMENTACIONES



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=.1 COMENTARIOS •

•

9a estabiliación del suelo mediante drenaje -ertical se aplica en terrenos comprimibles y saturados de agua: como los de arcilla y turba.
=.2 CONCLUSIONES •

&odemos obser-ar ue a tra-s de estos mtodos el tiempo de consolidación se acelera considerablementeK al acelerar la consolidación el peso especfico del suelo aumenta.

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•

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9os sistemas de drenaje /an mejorado con el paso de los a(os: estando a la par con la tecnologa actual y us!ndolo para el beneficio de la construcción " pesar de /aber surgido muc/as otras tcnicas de drenaje: el sistema de drenaje -ertical sigue siendo el m!s utiliadoK ya ue la tecnologa y mauinaria mencionada en el punto anterior no est! disponible para todo el sector constructi-o. 9a profundidad y la estratificación de un suelo: tanto como sus caractersticas /ace ue al analiarlas se decida la necesidad de utiliar un dren en cada estrato.

=.2 RECOMENDACIONES •

•

•

•

"l /aber desarrollado este trabajo se puede decir ue la presencia de capa fre!tica en nuestro terreno de cimentación no representa un problema imposible de resol-er: sino se recomienda escoger el tipo de sistema de mejoramiento m!s adecuado para el suelo. Sa ue las empresas dedicadas a brindar estos ser-icios son muy pocas: recomendamos re-isar muy bien la teora y funcionamiento de los sistemas para ue: en algAn momento se pueda Eimpro-isar un sistema similar pero con la misma efecti-idad. *era agradable recibir una conferencia enfocada en los temas de mejoramiento del suelo en nuestra facultadK ya ue durante el desarrollo del trabajo nos /emos -istos limitados con la información. <istes detalles del funcionamiento y construcciónK /a sido bastante difcil obtener detalles sobre casos pr!cticos en los ue se /ayan aplicado estas tcnicas sobre todo en la epresión de sus resultados *i luego del an!lisis de las caractersticas de cada estrato: se recomienda no solo considerar los datos de laboratorio: considerar an!lisis de campo para concretar la decisión de incluir dren o no.

BIBLIOGRAF;A LIBROS

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