La mecánica de suelos se ocupa de investigar la naturaleza y comportamiento de la masa del suelo, formada por la unión de partículas dispersas de variadas dimensiones; la heterogénea variedad de los suelos con composiciones aleatorias y diversas propiedades físico-naturales, convierte a la mecánica de suelos en un estudio de fundamental importancia en la ingeniería civil y en cualquier otra rama del conocimiento en la cual el suelo este involucrado. l suelo ha tenido una estrecha relación con la vida del hom!re desde los l os principios de la historia, pero su estudio adquirió mayor importancia a principios del siglo "#" de!ido a las enormes dimensiones de las construcciones y edi$cios de la época que demanda!an un mayor conocimiento de las propiedades y características cara cterísticas del suelo, a $n de aprovechar me%or su capacidad portante y controlar los asentamientos. La agudeza de investigadores pioneros como &'. &oulom! en ())* y a +.. anine en (//0, y su empe1o por desarrollar técnicas y cálculos 2tiles para tra!a%ar so!re la pro!lemática que involucra el comportamiento de los suelos, conforman los primeros pasos en la génesis de este arte. 3osteriormente, a comienzos del siglo "" se intensi$caron i ntensi$caron las investigaciones so!re el tema, y los tra!a%os de 4loger en 'lemania, 5oussinesq en 6rancia y especialmente 4arl 7erzaghi en 'lemania y los stados 8nidos, a!rieron nuevos horizontes en la materia, permitiendo su evolución y perfeccionamiento. 'sí, la mecánica de suelos se ha transformado una la herramienta esencial en el correcto dise1o de las o!ras civiles y todo tipo de estructuras resistentes.
OBJETIVO 8so de herramientas investigativas, comparativas y de comunicación en la 9ecánica de :uelos
TEMA 1 PRINCIPALES PARÁMETROS PARA CARACTERIZAR LA DEFORMACIÓN DEL SUELO
Deformación: Este Este concepto concepto puede definirse definirse como un cambio cambio en el volumen volumen o en la forma del suelo producido por esfuerzos resultantes de la aplicación de cargas o por cambios en su humedad.
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En los suelos la relación esfuerzo-deformación permite conocer su comportamiento; y de acuerdo acuerdo a este, este, definir su uso más adecuado adecuado considerando considerando la necesidad necesidad que va suplirse. suplirse. Asimism Asimismo, o, con esta relación puede determinarse determinarse el asentamie asentamiento nto que una estructura puede llegar a sufrir. e otra parte, la relación esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación del suelo involucra! "esistencia del material y posteriormente la falla. eformabilidad del suelo. #$empton, %&'(! )*os esfuerzos en cualquier punto de una sección de una masa de suelo pueden calcularse de los esfuerzos principales totales , y que act+an en este punto. #i los vacos del suelo están llenos de agua con un esfuerzo , los esfuerzos totales principales consisten consisten de dos partes. partes. na parte, , act+a en el agua y en el sólido en todas las las direcciones direcciones con igual igual intensidad. intensidad. #e denomina denomina presión presión de poros. poros. *a diferencia ; y ; representa un e/ceso sobre la presión de poros y ocurre e/clusivamente e/clusivamente en la fase sólida. Esta fracción de los esfuerzos totales principales, será llamada esfuerzos efectivos principales0 n cambio en la presión de poros no produce cambio de volumen y prácticamente no influencia los esfuerzos en la falla0 *os materiales porosos 1arena, arcilla y concreto2 reacciona a un cambio u como si fueran incompresibles y como si su fricción fuera igual a cero. 3odos los efectos medibles medibles de un cambio de esfuerzo, tales como compresión, distorsión y un cambio de resistencia cortante son e/clusivamente debidos a cambios cambios en los los esfuerzos efectivos . 4or lo tanto, cualquier cualquier investigación investigación en la estabilidad de un cuerpo saturado de suelos requiere el conocimiento de tanto el esfuerzo total como la presión de poros5. poros5. 6uente! 3herzaghi 3herzaghi y la 7ecánica de #uelosA*8A, 9urtado :orge E.
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FACTORES QUE AFECTAN LA DEFORMACIÓN DE UN SUELO omposición!
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En los suelos la relación esfuerzo-deformación permite conocer su comportamiento; y de acuerdo acuerdo a este, este, definir su uso más adecuado adecuado considerando considerando la necesidad necesidad que va suplirse. suplirse. Asimism Asimismo, o, con esta relación puede determinarse determinarse el asentamie asentamiento nto que una estructura puede llegar a sufrir. e otra parte, la relación esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación del suelo involucra! "esistencia del material y posteriormente la falla. eformabilidad del suelo. #$empton, %&'(! )*os esfuerzos en cualquier punto de una sección de una masa de suelo pueden calcularse de los esfuerzos principales totales , y que act+an en este punto. #i los vacos del suelo están llenos de agua con un esfuerzo , los esfuerzos totales principales consisten consisten de dos partes. partes. na parte, , act+a en el agua y en el sólido en todas las las direcciones direcciones con igual igual intensidad. intensidad. #e denomina denomina presión presión de poros. poros. *a diferencia ; y ; representa un e/ceso sobre la presión de poros y ocurre e/clusivamente e/clusivamente en la fase sólida. Esta fracción de los esfuerzos totales principales, será llamada esfuerzos efectivos principales0 n cambio en la presión de poros no produce cambio de volumen y prácticamente no influencia los esfuerzos en la falla0 *os materiales porosos 1arena, arcilla y concreto2 reacciona a un cambio u como si fueran incompresibles y como si su fricción fuera igual a cero. 3odos los efectos medibles medibles de un cambio de esfuerzo, tales como compresión, distorsión y un cambio de resistencia cortante son e/clusivamente debidos a cambios cambios en los los esfuerzos efectivos . 4or lo tanto, cualquier cualquier investigación investigación en la estabilidad de un cuerpo saturado de suelos requiere el conocimiento de tanto el esfuerzo total como la presión de poros5. poros5. 6uente! 3herzaghi 3herzaghi y la 7ecánica de #uelosA*8A, 9urtado :orge E.
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FACTORES QUE AFECTAN LA DEFORMACIÓN DE UN SUELO omposición!
Los minera erales que compon ponen la masa de suelo condicionan su comportamiento ante la presencia de esfuerzos producidos producidos por cargas. cargas. 3or e%emplo, en el caso de los limos y las arcillas; los limos tienden a tener mayores vacíos lo que lo hace más consolida!le pero las arcillas por su plasticidad pueden llegar a sufrir mayores deformaciones que los limos. 7al como como se aprecia aprecia en el ensayo ensayo de compr compresi esión ón incon$na incon$nada, da, en donde donde al some so mete terr un limo limo a ca carg rga a es este te alca alcanz nza a dete determ rmin inad ada a defo deform rmac ació ión n y $nalmente llega a su falla; mientras que al cargar una arcilla se presentan mayores deformaciones respecto a la del limo pero al momento de calcular calcular la capacidad de soporte, es mayor la del limo que la de la arcilla.
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"elación de vacos 1e2! *a relación de vacos da lugar al movimiento de partculas; el cual depende del acomodo inicial de de los granos. 4or eemplo; si el suelo suelo es! ompacto! #e presentan mayores esfuerzos y por consiguiente mayores deformaciones, atribuidas a un reacomodo de partculas; propenso al deslizamiento y el cual, al alcanzar la resistencia má/ima empieza a decrecer y las deformaciones a incrementar. incrementar. #uelto! Benera una falla tipo plástica en la cual el movimiento de partculas no es relevante. e esta manera, manera, podra decirse que! C e C ?
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Fuente: La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y Aeropistas – RICO, Rodríguez Alonso!
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4ermeabilidad! apacidad de un suelo para permitir el paso de una corriente de agua a travDs de su masa; además, esta variable está ligada a la consolidación de los materiales. n suelo muy muy permeable tiene C e C ɛ C e 6luo de agua más rápido
http!<<===.madrimasd.or http!<<===.madrimasd.org g((@<(><>><>>
9istoria anterior de esfuerzos aplicados al suelo! #e relaciona directamente con la meteorización 1omposición Beológica del material2; y de ella se desencadenan una
serie de variables como la sobreconsolidación, contenido de humedad, densidad; entre otras. -
Aplicación de nuevos esfuerzos! Hmposición de sobrecargas al suelo.
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TIPOS DE DEFORMACIÓN 8olumetrica! #e presentan cambios en el volumen y no en la masa de suelo.
http!<<===.academia.edu<@?G&>'F<eformacionIdeIsuelosI%I -
istorsiva! #e producen cambios de forma y volumen en la masa de suelo; tambiDn hay un cambio en la posición relativa de partculas.
http!<<===.academia.edu<@?G&>'F<eformacionIdeIsuelosI%I En el siguiente esquema puede apreciarse de manera más ilustrativa los tipos de deformaciones que se pueden presentar y las pruebas de ensayo que debe realizarse en cada caso con el fin de medir las diferentes variables que intervienen en el proceso.
Fuente: La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y Aeropistas – RICO, Rodríguez Alonso!
PRUEBAS DE ENSAYO PARA MEDIR LAS DEFORMACIONES ! PERMEABILIDAD " # MEDICIÓN DIRECTA: "" # Perme$me%ro &e ca'e(a con)%an%e: #e utiliza para arenas y consiste en permitir el paso del agua a travDs de una muestra de suelo generando una diferencia de niveles; entre la entrada y la salida del permeámetro. El siguiente enlace presenta el procedimiento de la prueba de permeabilidad a travDs del ensayo del cabeza constante! https!<<===.youtube.com<=atchJv&G%93&6e/A( ""* # Permea'i+i&a& &e ca'e(a ,aria'+e: 7anea el mismo principio del permeámetro de cabeza constante; sin embargo, esta prueba se realiza a suelos finos los cuales por su alta permeabilidad hacen necesario el uso de un piezómetro para que se visibilice el fluo de agua a travDs de la muestra.
Este es el esquema de la prueba de ensayo!
Fuente: "otas So#re los Funda$entos de %ec&nica de Suelos' Car$elino y RIV)RA, Constantino Rigo#erto!
()A, Constantino
En la parte superior se coloca un tubo 1piezómetro2 de diámetro menor o igual al que lleva la muestra. urante la prueba hay un variación del nivel de agua en el tubo 1h %h>2 en un tiempo; con estos datos y empleando la ecuación % se obtiene el coeficiente de permeabillida 1$2.
""- # Pr.e'a IN SITU: 4ara realizar esta prueba deben cumplirse unas condiciones, entre estas que el estrato de suelo este compuesto por arcilla. El ensayo en s, consiste en e/cavar un pozo de bombeo hasta llegar al estrato permeable, luego se bombea el agua subterránea hasta alcanzar un gasto constante 1q2.
Fuente: "otas So#re los Funda$entos de %ec&nica de Suelos' Car$elino y RIV)RA, Constantino Rigo#erto!
()A, Constantino
"* # MEDICIÓN INDIRECTA: 1.2.1 – Determi!"i# $e %&' ! (!rtir $e )! *r!+),metr-! $e) +e),/ ' través del valor de diámetro efectivo B@(>C y utilizando las correlaciones esta!lecidas por 'llen Dazen, :chlichter y 7erzaghi.
Fuente: "otas So#re los Funda$entos de %ec&nica de Suelos' Car$elino y RIV)RA, Constantino Rigo#erto!
()A, Constantino
Fuente: "otas So#re los Funda$entos de %ec&nica de Suelos' Car$elino y RIV)RA, Constantino Rigo#erto!
()A, Constantino
1.2.2 – Determi!"i# $e %&' me$i!te )! (r+e0! $e ",,)i$!"i#/ 8tilizando la grá$ca de consolidación se u!ica el 0>E de la consolidación primaria d0>; seguido a esto se proyecta la deformación hasta que corte la curva de consolidación, o!teniendo el valor del t 0>.
Fuente: "otas So#re los Funda$entos de %ec&nica de Suelos' Car$elino y RIV)RA, Constantino Rigo#erto!
()A, Constantino
on este valor 1t F(2 y empleando la fórmula > puede hallarse el coeficiente de permeabilidad 1$2!
"*"- # Pr.e'a /ori(on%a+ &e ca0i+ari&a&:
Fuente: "otas So#re los Funda$entos de %ec&nica de Suelos'()A, Constantino Car$elino y RIV)RA , Constantino Rigo#erto!
*! DEFORMABILIDAD *"! Pr.e'a &e Com0re)ión 1i&ro)%$%ica: Esta prueba permite determinar deformaciones volumDtricas.
Fuente: Elaboración Propia.
*"*! Pr.e'a &e Com0re)ión Confina&a o Con)o+i&ación: A travDs de la deformación a/ial puede hallarse la deformación volumDtrica. En esta prueba sólo se produce deformaciones verticales.
Fuente: Elaboración Propia.
*"-! Pr.e'a Tria2ia+: #e usa para conocer la resistencia del suelo 1q u2; además es una prueba de ensayo con deformación controlada.
Fuente: )la#oraci*n +ropia!
En el ensayo tria/ial se prueban tres probetas del mismo suelo con diferente presión de confinamiento; por lo general, la segunda es el doble de la primera y la tercera es el doble de la segunda. El vástago ubicado en la parte inferior siempre asciende a velocidad constante por lo que el cambio en la fuerza depende directamente de la presión de confinamiento que se emplee; una vez obtenidos los datos de fuerza y rango de deformación controlada se procede a realizar los cálculos, iniciando con la deformaciones para la cual se emplea la siguiente ecuación!
onde; De+%a L: "ango de deformación contralada. L: Altura de la probeta. on las deformaciones halladas puede realizarse la corrección al área de la muestra; utilizando la e/presión!
na vez hechas estas correcciones se calculan los esfuerzos para cada área hasta determinar el esfuerzo de falla para cada una de las tres pruebas; finalmente, se realiza el gráfico esfuerzo-deformación.
Fuente: Elaboración Propia.
*"3! Pr.e'a Direc%a &e Re)i)%encia a Cor%an%e: Es utilizada para conocer la resistencia al cortante de un suelo; y a su vez para hallar los parámetros de resistencia del suelo, cohesión 12 y fricción 1 ɸ2.
Fuente: Elaboración Propia.
Este ensayo se desarrolla bao tres condiciones; y la escogencia de una de estas depende del grado de rigurosidad que e/ia el estudio de suelo y del dinero que disponga el cliente para realizarlo. • KL LK#L*HAL, KL "EKAL 12! Es el ensayo más sencillo, en el la muestra no se consolida y se corta rápidamente. • LK#L*HAL, KL "EKAL 12! En Dl, la muestra de suelo se consolida y se corta. • LK#L*HAL, "EKAL 12! Este es el ensayo más riguroso; la muestra de suelo se consolida y se drena hasta cortarse. https!<<===.youtube.com<=atchJvotpBM"fo#o
CUR4AS T5PICAS DE ESFUER6O!DEFORMACIÓN a! Ma%eria+ &e Fa++a Fr$7i+: Al alcanzar un esfuerzo má/imo de forma lineal, esta desciende al incrementar la deformación.
Fuente: La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y Autopistas ' RICO, Rodriguez Alonso.
'! Ma%eria+ &e Fa++a P+$)%ica: Al llegar al esfuerzo lmite se genera la fluencia plástica bao esfuerzos constantes de magnitud igual al lmite, deformándose con este esfuerzo.
Fuente: La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y Aeropistas – RICO, Rodríguez Alonso!
COMPORTAMIENTO COMPRESIBLE EN LOS SUELOS 8RANULARES: *os cambios de volumen o de forma en este tipo de suelo obedecen a deformaciones propias 1distorsiones-ruptura-desmenuzamiento2 de las partculas que lo componen y al movimiento 1deslizamiento-rodamientos2 entre estas. •
ompresibilidad en ompresión Hsotrópica! A pesar de que el esfuerzo cortante puede ser cero 1(2 en cualquier plano, siguen actuando fuerzas de contacto de gran magnitud en los contactos individuales.
•
ompresibilidad en ompresión onfinada! En estas condiciones los suelos pueden presentar gran compresibilidad, esto se atribuye al fracturamiento y deslizamiento de partculas 1producción de finos2. 4"LHNK E 6HKL#- E4EKE E! 9 8ran.+ome%ra Uniforme 9 Pe)o E)0ecfico 9 An7.+o)i&a& &e +a) Par%c.+a) 9 Com0re)i'i+i&a& Pre)ión Efec%i,a So+%.ra &e+ Ma%eria+
•
ompresibilidad en ompresión 3ria/ial! #eg+n *ambe y Mhitman pueden establecerse dos etapas!
%.
Hnicia el proceso de carga y se generan pequeOas deformaciones que disminuyen el volumen de la muestra. Esto se atribuye a la adopción, por parte de las partculas de estructuras más compactas. *" #e produce la falla al alcanzar el esfuerzo má/imo; en caso de ser una falla frágil podran seguirse presentando deformaciones verticales siempre y cuando se genere un movimiento lateral en las partculas del suelo, lo que conlleva un incremento en el volumen de la muestra 1ilatancia2. En general en los materiales granulares la ruptura de las partculas es la que ocasiona la deformación total; y a su vez genere variaciones en la granulometra y en las propiedades mecánicas iniciales. 4or eemplo; 7arsal y sus colaboradores para el proyecto de grandes presas; estudiaron tres tipos de materiales diferentes, una de sus conclusiones se refiere a que la granulometra del material incide de forma directa en la rotura de partculas y posteriormente en su relación esfuerzo P deformación; tal como se muestra en la imagen.
Fuente: La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y Aeropistas – RICO, Rodríguez Alonso!
En otras palabras, esto puede entenderse como a mayor uniformidad granulomDtrica inicial se produce una mayor rotura de grano.
COMPORTAMIENTO COMPRESIBLE EN LOS SUELOS CO1ESI4OS ;ARCILLAS!LIMOS PL
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e acuerdo a *ambe! )*as sobrepresiones intersticiales producidas en un proceso de cargas sin drenae que es aquDl en que la variación de la carga o de las condiciones de contorno se produce en un tiempo muy pequeOo respecto al necesario para disipación de las sobrepresiones intersticiales. En cuanto se termina la aplicación de la carga, el agua comienza a fluir debido al gradiente producido por las sobrepresiones intersticiales, variando el volumen del suelo. #i las sobrepresiones intersticiales son positivas de forma que el suelo tiende a disminuir de volumen, el proceso de denomina consolidaci*n. #i las sobrepresiones son negativas, por lo cual el suelo tiende a aumentar de volumen, el proceso se denomina epansi*n. Estas pruebas posibilitan el cálculo de la magnitud y de la velocidad de los asentamientos. #e mide mediante!
>- onsolidación nidimensional. Es importante mencionar que en laboratorio la consolidación se produce en un tiempo más corto que en la naturaleza; por ello, es frecuente que los asentamiento que se determinados con los resultados obtenidos de los ensayos sean superiores a los reales. EK#AQL E LK#L*HAHNK! https!<<===.youtube.com<=atchJvRbvev6SKQ=(
A" ASENTAMIENTOS Y E>PANSIONES #e refiere a las compresiones provocadas a los estratos del suelo por sobrecargas o cargas propias, estas se atribuyen a la deformación y al reacomodo de las partculas del suelo; además, a la e/pulsión de agua o aire de los espacios vaco. En el caso particular de los asentamientos se establecen tres clases! %- Asentamiento 4rimario! Es provocado por la deformación elástica del suelo en cualquiera de sus estados; sin generar cambios en el contenido de agua. >- Asentamiento por onsolidación 4rimaria! En suelos cohesivos saturados la e/pulsión del agua que ocupa los espacios vacos conlleva a una variación en su volumen. R- Asentamiento por onsolidación #ecundaria! Lbedece a un auste plástico de la estructura del suelo. 4ara ampliar el tema se recomienda consultar! http!<
B" CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA
F-)"T): )la#oraci*n +ropia!
F-)"T): )la#oraci*n +ropia!
*a consolidación secundaria inicia en la etapa final de la consolidación primaria cuando la mayora de la presión e/terior ha sido trasmitida a las partculas 1presión efectiva2 generándose la totalidad de la deformación volumDtrica. Sraa en su libro de 6undamentos de Hngeniera BeotDcnica, indica
A)en%amien%o 0or con)o+i&ación )ec.n&aria ! #e observa en suelos saturados cohesivos y es el resultado del auste plástico de la estructura del suelo. Tste sigue al asentamiento por consolidación primaria bao un esfuerzo efectivo constante. *o primero que debe hacerse para hallar la consolidación secundaria de un suelo es tomar los valores de relación de vacos contra el logaritmo del tiempo en un incremento dado de carga.
Fuente: Funda$entos de Ingeniería .eot/cnica' 0RA1A, % 2as'!
8tilizando los valores tomados del grá$co anterior y mane%ando la siguiente ecuación se encuentra el coe$ciente de compresión secundaria.
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TEMA * C5RCULO DE MO1R Y TEOR5A ;CRITERIO= MO1R!COULOMB INTRODUCCIÓN l estudio del circulo de 9ohr y su aplicación en la mecánica de suelos es de suma importancia, ya que nos ayuda a entender el comportamiento del suelo cuando esta sometido a cargas eIternas generadas por la infraestructura física en general; como son colegios, hospitales, plantas de generación de energía, y o!ras de arte viales entre otros. La aplicación del círculo de 9ohr en la mecánica de suelos remonta al a1o de ())*, cuando &harles 'uguste &oulom! hace un primer acercamiento para predecir el comportamiento del suelo, para determinar su resistencia al corte. : J & K σ 7an B .&.(C cuación que se conoce como ley de &oulom!, donde & descri!e el comportamiento plástico del suelo y determina la distorsión y fractura de las partículas, ecuación que sirvió de !ase para determinar en su época la capacidad portante del suelo en lo referente a la construcción de terraplenes y presa de tierra. 'l principio del siglo "" (M=0 7erzaghi determino que la presión efectiva no es total, sino intergranular y la ecuación toma la siguiente forma : J & K B σKuC 7an B .&.=C cuación muy usada hoy en día por los #ngenieros de :uelos y profesionales a$nes para determinar la resistencia de cortante en el suelo, donde u representa la presión intersticial provocada por el agua. '1os después Dvorslev determino que el valor de la cohesión de las arcillas saturadas no era una constante y que era función del contenido de humedad F, y la contante &, se transformo en f BFC. l entendimiento de estas leyes es de suma importancia en la aplicación de la mecánica de suelos, en el análisis de resultados de los ensayos de resistencia a compresión simple, ensayo de corte directo y ensayo triaIial a
través de la teoría del círculo de 9ohr. esultados que serán la herramienta para el ingeniero de geotecnia, en el dise1o de cimentaciones super$ciales y profundas, análisis de terraplenes en vías, construcción de rellenos sanitarios y determinación de empu%es del suelo. @e tal modo que el ingeniero de suelos este en capacidad de aplicar los fundamentos del círculo de esfuerzos de 9ohr, en la mecánica de suelos y en las soluciones de dise1o #ngenieril en la geotecnia a la luz de la N:-(>, y valuar la resistencia a corte del suelo, en el dise1o de la infraestructura física y de la infraestructura vial. 3ara la construcción del documento se recopilo información de las teorías que rigen el comportamiento del suelo a la resistencia al corte como son l método de la resistencia esfuerzo de corte presentada por &oulom!, ecuación de la resistencia al corte de &oulom! O Dvorslev, epresentación con círculos de 9ohr de los cam!ios de esfuerzos en el suelo, y como resultado $nal además de la herramienta planteada en este documento &írculo de 9ohr, se tratara mediante correlación seg2n el análisis granulométrico y la importancia de la solución #ngenieril, aproIimar el ensayo más apropiado para determinar la capacidad portante del suelo. 3or lo antes eIpuesto se concluye que el &irculo de 9ohr en la mecánica de suelos es una herramienta 2til para el análisis de resultados de la!oratorio y en la toma de decisión en cuanto a predecir el me%or comportamiento del suelo a través del tiempo cuando éste esta sometido a cargas eIternas. CIRCULO DE MOR l círculo de 9ohr soluciona el pro!lema de transformación de esfuerzos en un plano determinado. 3or consiguiente el pro!lema fundamental es el conocer el estado de un esfuerzo en un punto para un plano determinado de espécimen de suelo, de acuerdo a lo anterior el estado de esfuerzos en el suelo con otra orientación dada Bplano de falla donde se producen los esfuerzos máIimosC, esta representado 2nicamente por dos componentes de esfuerzos normal y una componente de esfuerzo cortante que act2an so!re el suelo en la orientación determinada, esfuerzos que se o!tienen aplicando la representación gra$ca del círculo de 9ohr. ECUACIONES ENERALES PARA LA TRANSFORMACIÓN DE ESFUERZOS l círculo de 9ohr y la ley de &oulom! para determinar los parámetros fundamentales del suelo cohesión y fricción, permiten o!tener los esfuerzos normales y cortantes del suelo en un plano determinado. 'demás con el círculo de 9ohr podemos encontrar la relación entre el ángulo de fricción y el plano de falla, la representación del plano de falla en suelos no cohesivos, la teoría de falla en suelos cohesivos, los esfuerzos normales y cortantes a partir del ensayo de corte directo, el calculo de empu%es activos y pasivos so!re un muro de contención entre otros. Las ecuaciones fundamentales para calcular el esfuerzo normal σ y el esfuerzo cortante τ en un plano de$nido esta dado por σ J BσI K σyC<= K BσI - σyC I cos=P<= y τ J BσI K σyC I sen=P<= @onde, P 3lano de orientación donde se desea conocer el esfuerzo normal σ y el esfuerzo cortante τ. σI &omponente del esfuerzo normal en e e%e ". σy &omponente del esfuerzo normal en el e%e Q. CONSTRUCCIÓN RAFICA DEL CIRCULO DE MOR 3ara la construcción grá$ca del círculo de 9ohr en primer lugar u!icamos las coordenadas de los esfuerzos normales y esfuerzos cortantes en el plano
cartesiano. ", representa las a!scisas esfuerzos normales σ, Q, representa las ordenadas esfuerzo cortante τ; luego se de$ne la convención de los signos en el sentido que los suelos están sometidos a esfuerzos de compresión, los esfuerzos normales σ a compresión se consideran positivos BKC, y los esfuerzos cortante τ en la dirección antihoraria se consideran igualmente positivos BKC. ' continuación se descri!e el paso a paso para la construcción gra$ca del circulo de 9RD, el método es interesante cuando se aplica utilizando herramientas modernas como el 'uto&'@. Los implementos a utilizar son lápiz de punta $na, !orrador, papel milimetrado, compas de precisión, transportador y regla escala. l procedimiento para o!tener por el método gra$co el esfuerzo normal y cortante que act2a so!re un plano es el siguiente (S @e$nir una escala apropiada para la representación gra$ca de los esfuerzos, por e%emplo( cm igual a ( 93'. =S :o!re el papel milimetrado y de acuerdo a la escala de$nida, u!icar el plano cartesiano seg2n lo antes eIpuesto. *S :o!re el e%e de las ", u!icamos las coordenadas del centro del círculo que corresponde al esfuerzo promedio, σp. GS 7razamos el circulo con centro σp y radio σp.σI 0S &on el transportador u!icamos el plano de interés en el centro del círculo de 9ohr que equivale a = P. HS 7razamos el plano de interés interceptando el centro del círculo y la circunferencia por los punto ' y 5 tal como lo indica la $gura G. )S &on la escala, desde los e%es de coordenadas " y Q medimos las distancia al punto ' y 5. La distancia horizontal en centímetros a los puntos 'y 5, multiplicada por el esfuerzo equivalente, corresponde al esfuerzo normal máIimo y mínimo respectivamente en el plano en estudio; de igual manera la distancia vertical en centímetros a los puntos ' y 5 multiplicado por el esfuerzo equivalente corresponde al esfuerzo cortante máIimo y mínimo en el plano correspondiente. ' continuación desarrollamos el paso a paso con un e%ercicio de aplicación. EJERCICIO APLICACIÓN M3TODO RAFICO @eterminar por el método gra$co el esfuerzo normal y cortante, que act2a so!re el plano de *> grados so!re la horizontal, indicado en la $gura.
6igura ( 3':R ( @6#N#&#TN @ :&'L' Q LR: : @ &RR@N'@': 3ara el desarrollo del e%ercicio se utiliza una escala (0>, un cm en la escala equivale a un esfuerzo de ( 9pa.
6igura = '!scisas esfuerzos normales σ, ordenadas esfuerzos cortantes τ. 3':R = 85#&'&#TN @L &N7R @L &U&8LR Q :8 7'VR l cálculo de esfuerzo promedio y el valor del esfuerzo en el e%e I corresponde al valor indicado en la $gura ( de G 9pa.
6igura * 3':R * 85#&'&#TN @L 3L'NR @ #N7: N L &#&8LR @ 9RD @RN@ @:'9R: R57N LR: :68VR: NR9'L: Q :68VR: &R7'N7:. l plano en el círculo de 9ohr toma un valor de = P, que para el caso en estudio = I *> equivalente a H> grados.
6igura G 3':R G @79#N'&#TN @ LR: A'LR: @ LR: :68VR: NR9'L: ' Q :68VR NR9'L 5. La distancia horizontal en centímetros a los puntos ' y 5, multiplicada por el esfuerzo equivalente, corresponde al esfuerzo normal máIimo y mínimo respectivamente en el plano en estudio.
6igura 0 La $gura 0 indica que el esfuerzo normal σ' tiene un valor de *.0 9pa, de la misma manera se calcula el esfuerzo cortante en ', τ'.
6igura H La $gura H indica que el esfuerzo normal σ5 tiene un valor de =.0 9pa, de la misma manera se calcula el esfuerzo cortante en 5, τ5. ENSA4O DE CORTE DIRECTO CONSOLIDADO – DRENADO 4 CIRCULO DE MOR
2iagra$a de arreglo para la prue#a de corte directo to$ado del li#ro de 0RA1A %!2AS
*a resistencia de corte directo consolidado drenado se determina por la *ey de oulomb %@@R, la cual fue modificada siglo y medio despuDs en %&>F por 3erzaghi teniendo en cuenta el esfuerzo efectivo normal en la dirección para la cual se considera la resistencia a corte modelo que se representa en la ecuación > de este documento. #eg+n 8ictoria Elena 7esa Lchoa en la Bua de *aboratorio de 7ecánica de #uelos 1>(%R2 pagina %%R, 3)l ensayo de corte directo se realiza en 4 etapas! La pri$era consiste en inducir so#re el esp/ci$en de suelo, el proceso de consolidaci*n, aplicando una carga 5ertical eterna +, y en la segunda etapa el suelo se lle5a a la alla, gener&ndose un esuerzo nor$al 6 σ 78 de#ido a la carga 5ertical + y un esuerzo cortante 6 τ 8 de#ido a la aplicaci*n de una carga 9orizontal T, a$#os actuando so#re el plano predeter$inado! La uerza 9orizontal se aplica lenta$ente, e5itando ue se generen presiones de poros y dando lugar al drenado de la $uestra;
#e recomienda el uso del ensayo de corte directo a suelos de falla plástica como son las arcillas blandas, y para arenas secas de baa compacidad, para suelos compactos seg+n Hngeniero Antonio Arango 8. en su 7anual de *aboratorio de 7ecánicas de #uelos 1%&GR2 los resultados son muy conservadores. En el caso de arenas seca la resistencia del suelo a corte directo se obtiene trazando en una recta que pasa por el origen, ya que el valor de la cohesión es igual a cero y resistencia que se representa por la ecuación de oulomb modificada. τ σU.3AK VU #i el ensayo de corte se realiza en > etapas primero aplicando una carga vertical 4 para obtener un esfuerzo normal σ, y luego aplicamos una carga horizontal 3 para obtener un esfuerzo cortante τ, y repetimos el ensayo en tres ocasiones con R cargas verticales diferentes. Aplicando la ecuación de la recta y m /, podemos obtener fácilmente la pendiente m /' y ?F grados. e igual manera podemos hacer el mismo análisis para suelos cohesivos, la ecuación de oulomb modificada tiene la forma y m / X cU ecuación de la recta que pasa por el punto 1(, U2, valor que se obtiene trazando la envolvente de esfuerzos de los crculos de 7ohr del ensayo de corte directo.
)n5ol5ente de alla y círculo de %o9r to$ado del li#ro de 0RA1A %!2AS
9aciendo y s, / σU la ecuación se convierte en τ cU X σU 3AK WU, donde la pendiente de la recta m 3AK WU, despeando W, queda el ángulo de fricción, WU 3AK -% 1τ P c Y2
n el la!oratorio se pro!o una muestra de arena seca con el ensayo de corte directo !a%o un presión vertical de ).G0 7<9= en el plano horizontal de corte, la falla ocurrió a un esfuerzo cortante de 0.( 7<9=, el ángulo de fricción interna de la arena.
6igura @ #eg+n :imDnez #alas en el libro Beotecnia y imientos H 1%&@F2 pagina >'%, enuncia! )El criterio de rotura de 7ohr P oulomb dice que en punto cualquiera de un cuerpo continuo se produce la rotura cuando en alg+n plano que pase por dicho punto e/iste la combinación de tensiones definida por la envolvente de 7ohr5, más adelante concluye, )la rotura se producirá, de acuerdo con el criterio de 7ohr-oulomb, cuando el crculo de 7ohr antedicho sea tangente a la envolvente de 7ohr5.
6igura G #eg+n el criterio de 7ohr la envolvente donde se produce la rotura es la lnea recta que parte desde el origen del plano cartesiano hasta el punto A, que corresponde a una combinación de tensiones dentro del crculo de 7ohr y la recta es tangente en A 1figura G2. Además por las relaciones geomDtricas se puede observar que para cualquier circulo de falla %>F &( X RF o de forma general > [ &( X WU, done [ es el plano de falla y WU es el coeficiente de fricción de la arenas seca. A continuación vamos a presentar la secuencia de la obtención geomDtrica del plano de falla y del ángulo de fricción interna de la arena. %\ 3razamos una lnea desde al origen al punto 1@.?F, F.%2 correspondiente a los valores de esfuerzo normal y cortante obtenido del ensayo de corte directo 1figura &2.
6igura M (S 7razamos una perpendicular desde el punto ', al centro de la circunferencia círculo de 9ohr punto 5 B$gura (>C.
6igura (>
(S 9edimos el ángulo de fricción J *0 grados, para ello hacemos uso del transportador tal como lo muestran las siguientes $guras B$gura (( y (=C.
6igura ((
6igura (= (S @e la ecuación = P J M> K W, podemos determina en plano de falla del espécimen en estudio P J BM> K*0C<= J H=.0 grados, de tal modo =P J (=0 grados. ' continuación o!tenemos el ángulo =P con el uso del transportador B6igura (* y (GC.
6igura (*
6igura (G ' continuación desarrollamos el procedimiento de forma analítica aplicando las ecuaciones del círculo de 9ohr.
3ara resolver el pro!lema se tienen dos puntos de recta correspondiente al origen plano cartesiano B>,>C, y el punto o!tenido por el ensayo de corte directo B).G0, 0.(C. m J y.H/, como m J 7'N W, @espe%ando -( W J 7'N Bτ<σWC. XW J *G.*M grados, valor que se puede considerar igual a *0 grados en magnitudes de mecánicas de suelos. l valor del ángulo del plano de falla se o!tiene tal como se eIplica en el paso G, su valor es P J H=.0 grados. N:'QR @ &R93:#TN NR &RN6#N'@' Q L &U&8LR @ 9DR l ensayo de compresión no con$nada se desarrolla en un equipo de compresión simple que consta de un anillo de carga, indicador de deformación de anillo de carga, indicador de deformación del espécimen del suelo, y manivela para aplicar la carga.
Aparato para el ensayo de compresión simple.
l resultado del ensayo de compresión no con$nada se usa para cali$car cualitativamente la consistencia de las arcillas saturadas, la resistencia a compresión BquC, y como consecuencia el cálculo del valor numérico de BquC, se puede calcular la cohesión no drenada B&uC igual a qu<=. 'demás de los parámetros estudiados el ensayo permite o!tener la :ensi!ilidad en las arcillas. :e de$ne como la relación numérica entre la resistencia a compresión simple de una muestra inalterada y una muestra remoldeada. La muestra inalterada es de$nida por 6a!ián Doyos 3ati1o en su li!ro Yeotecnia @iccionario 5ásico B=>>(C como Zuna muestra de suelo cuya
estructura no ha sido modi$cada por manipulación durante el proceso de muestreo y transporte en el la!oratorio[. 7am!ién de$ne muestra remoldeada como Zmuestra cuya estructura interna ha sido alterada por manipulación durante el proceso de muestreo y transporte al la!oratorio. ' continuación de la ta!la 0-( del 9anual de la!oratorio de 9ecánica de :uelos de 'ntonio 'rango A. B(M/*C página (=/, se presentan valores para cali$car la consistencia de las arcillas. &omparamos la ta!la con las de consistencia del suelo B#nvías O (0=->)C es la misma. E6PRESIONES CUALITATIVAS 4 CUANTITATIVAS DE LA CONSISTENCIA EN ARCILLAS &RN:#:7N&#' #@N7#6#&'&#TN @ &'93R :#:7N&#' ' &R93:#TN :#93L qu Bg.=0 centímetros. l pulgar puede penetrar en 5landa ella fácilmente varios >.=0 a .0> centímetros. l pulgar con esfuerzo 9edia moderado puede penetrar >.0> a (.> en ella varios centímetros. l pulgar se enca%a 6irme fácilmente pero sólo penetra (.>> a =.> con gran esfuerzo. La u1a y del pulgar se enca%a 9uy $rme =.>> a G.> fácilmente. La u1a del pulgar se enca%a @ura 9ayor a G con seguridad. Tabla 1
C5RCULO DE MOR PARA LA PRUEBA DE COMPRESIÓN NO CONFINADA
6igura (0 l círculo de 9ohr para un ensayo de compresión no con$nada, se toma σ( J qu como el máIimo esfuerzo a compresión, J > y σ* J>.
8tilizando el método gra$co en la $gura (0, se evidencia que dos veces el radio del círculo equivale a qu, de tal modo que &u J , de donde podemos concluir que &u J qu<=. l valor de τ J &u se o!tiene remplazando el valor de W J > en la ley de &oulom! modi$cada τ J &u KσW 7'NY W, del mismo podemos determinar el plano de falla que para la condición J >, el ángulo del plano de falla es = P J M> K W, donde P J G0 grados. emplazando en la eIpresión para o!tener e esfuerzo cortante τ, en el círculo de 9ohr. τ J Bσ( K σ*C I sen=P<= τ J Bqu->C I seno BM>C<= y remplazando τ por &8, y podemos concluir que la resistencia a corte de arcillas saturadas !a%o la condición J o, τ J &u J qu<=. s conveniente de%ar claro que en toda la !i!liografía revisada, el ensayo de compresión no con$nada se utiliza para determinar la consistencia del suelo, una manera de o!tener una estimación aproIimada de resistencia a corte de la arcilla saturada, cuando no se dispone de recursos, es aplicar los criterios de la ta!la ( en el terreno, y haciendo correlaciones con el índice de plasticidad. 6inalmente se muestran fallas características de compresión simple como son 3lano inclinado com2n en arcillas duras, a!om!amiento en arcillas !landas, en forma de cono en limos arenosos, desmoronamiento en materiales arenosos.
7omado del manual de la!oratorio de mecánica de suelos. ENSA4O TRIA6IAL 4 EL C5RCULO DE MOR COMPORTAMIENTO DEL SUELO RANULAR BAJO CARAS E6TERNAS Los ensayos eIplorados hasta el momento, ensayo de corte directo y compresión no con$nada, no representan de manera total, la idealización de un suelo en condiciones reales cuando esta sometida a cargas eIternas, como por e%emplo el que trasmite una zapata a al super$cie del suelos de!ido al peso de la estructura que soporta.
&omo profesionales de la geotecnia de!emos tener presente que cuando los suelos están sometidas a carga eIternas presentan asentamientos diferenciales, que se mani$estan por perdida de la verticalidad de la edi$cación, $suras en elementos no estructurales afectando los aca!ados, $suras en elementos estructurales produciendo fallas repentinas y colapso de la estructura.
6igura (H 3ara prevenir en parte el proceso de asentamientos diferenciales es necesario entender el comportamiento de los suelos granulares sueltos de !a%a compacidad y los suelos granulares densos de alta compacidad cuando están sometidos a cargas eIternas. 3ara ello haremos uso del ensayo triaIial y círculo de esfuerzos de 9ohr.
6igura () n las $guras (H y () tomadas del li!ro de 5ra%a 9.@as B=>>GC se evidencia el comportamiento de una arena suelta o de !a%a compacidad, que al aplicarle un esfuerzo cortante τ, $gura () el espécimen disminuye su volumen, este proceso se de!e al reacomodo gradual de las partículas de arena y su resistencia $nal a corte, resulta de la distorsión que esta asociada al deslizamientos entre granos. &aso contrario sucede con las arenas densas los cuales tienen menor holgura a comprimir, mecanismo que se muestra en la $gura (G, que al aplicarle un esfuerzo cortante τ, en un principio se evidencia disminución de volumen del espécimen de suelo, y cuando éste empieza a alcanzar su resistencia máIima a cortante, el suelo empieza a eIpandirse hasta llegar a la rotura.
3or lo arri!a mencionado podemos concluir que la arena suelta sometidas a esfuerzos cortantes tienden a disminuir su volumen y en las arenas densas sucede el caso contrario tienden a eIpandirse, proceso que se presenta de igual manera en arcillas !landas y en las arcillas duras, por mecanismo completamente diferentes presentados en los suelos granulares. ENSA4O DE COMPRESIÓN TRIA6IAL l ensayo de compresión triaIial es de$nido por 6a!ián Doyos 3ati1o en su li!ro Yeotecnia @iccionario 5ásico B=>>(C como “Prueba de laboratorio en la que una muestra de suelo es sometida simultáneamente a un esfuerzo de connamiento! o esfuerzo principal menor!σ "! y a un esfuerzo de compresión! o esfuerzo principal mayor σ 1! #asta #acer que la muestra de suelo se rompa o se deforme más allá del l$mite preestablecido. A partir de los resultados de este ensayo pueden obtenerse los parámetros de resistencia a corte! co#esión! y án%ulo de fricción interna del suelo &'ormas A(T)*+,- y */0023
6igura (/ La $gura (/ tomada del li!ro de 5ra%a 9.@as B=>>GC presenta el círculo de esfuerzos de 9ohr y la envolvente de falla para suelos granulares. n cuanto a la envolvente de falla de$nida arri!a, si la línea es ligeramente curva se puede concluir que el suelo es de !a%a compacidad y si la curva presenta una pendiente fuerte se puede considerar un suelo granular denso o compacto. ' continuación por el método gra$co eIplicado en este documento, determinaremos el ángulo de fricción , y el ángulo del plano de falla o!tenidos en una prue!a en un ensayo triaIial. 385' σ( B4N<9=C σ* B4N<9=C (
H
(
=
(=
=
*
=G
G
G
G/
/
6igura (M 3ara la ela!oración de los círculos de esfuerzos de 9ohr y el trazo de la línea de rotura, se aplicaron los conceptos desarrollados a través de este documento 3rimero se trazo el círculo de 9ohr correspondiente a la prue!a ( hasta di!u%ar el círculo correspondiente a la prue!a numero G, luego trazamos la línea envolvente de falla tangente a cada una de las circunferencias y con el transportador medimos el ángulo de fricción del suelo GH grados, y el plano de falla del espécimen de suelo P J (*H grados. l procedimiento se puede realizar analíticamente con las ecuaciones que representan e círculo de 9ohr. @eterminando el ángulo de fricción para cada una de las prue!as, para luego determinar el ángulo de fricción promedio y o!tener el plano de falla con la eIpresión P J G0 K <=. ESFUERZOS 4 PRESIONES EN EL SUELO 4 EL C5RCULO DE MOR @e la misma manera que el agua, el suelo so!re un deposito produce un esfuerzo vertical, σv, el esfuerzo vertical esta dado por σv J γ h, donde γ es la densidad del material y h es la altura de esfuerzos en la pared de eIcavación. 'plicando los conceptos de la estática o mecánica de reposo, podemos intuir una condición de equili!rio entre esfuerzos verticales y esfuerzos horizontales, el equili!rio es producido por la condiciones en el sitio. La relación entre esfuerzo horizontal y esfuerzo vertical es una constante que se va denominar 4p en el círculo de esfuerzos presión pasiva, @e$niendo 4o la condición de estados de esfuerzos de equili!rio producido por la condición del suelo. :eg2n la teoría de anine para suelos granular y super$cie horizontal, el coe$ciente de empu%e pasivo esta dado por 4p J 7'N= BG0 K <=C y el coe$ciente de empu%e activo 4a J 7'N= BG0 O <=C, en igual sentido se puede a$rmar que el coe$ciente de empu%e activo es el inverso del coe$ciente de empu%e pasivo. 4a J (<4p ' continuación en un muro de contención vertical con relleno horizontal granular de una altura de G metros, con densidad especí$ca del material de (H.0 4N<9*, J *0 grados, \ncontrar los coeficientes de empu%e pasivo y empu%e pasivo seg2n la teoría de anine] 3ara la solución del e%ercicio primero aplicaremos los conceptos del círculo de 9ohr y luego aplicamos las ecuaciones analíticas vistas en el párrafo anterior.
6igura => (S @e$nir el plano cartesiano y una escala apropiada para la construcción del círculo de esfuerzos de 9ohr. La escala numérica escogida ((>>, cada centímetro medido en la escala equivale a un esfuerzo de (> 4N<9=. =S @i!u%amos la línea envolvente de falla desde el origen del plano cartesiano y con un ángulo so!re la horizontal J *0 grados. *S &alculamos el esfuerzo vertical, σv J G I (H.0 J HH 4N<9= y valor que se localiza en el e%e ", con la escala de$nida atrás. GS 8tilizando el compas localizamos el centro de la circunferencia, cuyo radio de!e intersectar tangencialmente con la curva envolvente de falla. Localizado el centro del círculo de esfuerzos de 9ohr, o!tenemos el esfuerzo horizontal ^h J =G.0 cm I (> 4N<9= J =G0 4N<9=. B6igura =(C.
6igura =( 6inalmente calculamos 4p J σh<σv J =G0,=) ' continuación resolvemos el e%ercicio de manera analítica seg2n la teoría de anine. 4p J 7'N= BG0 K <=C J 7'N= BG0 K *0<=C J *.HM 4a J 7'N= BG0 - <=C J 7'N = BG0 - *0<=C J >.=). :e puede concluir que el método gra$co desarrollado a lo largo de este documento, es una herramienta 2til que sirve de comparativo con la utilización de métodos analíticos. CONCLUSIONES
(. l ensayo de compresión simple es un caso particular de la prue!a triaIial no consolidada no drenada, donde la envolvente de falla es una línea paralela al e%e ", tangente al círculo de esfuerzos de 9ohr, llamada condición J > y τ J qu<= condición no drenada. nsayo muy utilizado en nuestra región para esta!ilidad de taludes y cálculo de capacidad portante del suelo. n cuanto a esta!ilización de taludes no de!emos olvidar que el ensayo mide la resistencia a compresión simple, en el instante de eItraer la muestra más no predice el comportamiento más desfavora!les del talud en estudio, en las !i!liografías revisadas para la construcción de este documento, clasi$ca el ensayo entre los que mide la consistencia del suelo en arcillas, valor que se de!e comparar seg2n ta!la de consistencia del suelo B#NA#': O (0= O >)C. 6inalmente se recomienda el ensayo para suelo saturados siempre y cuando el método o!servacional rea$rme esta condición y el ensayo se de!e realizar en la misma dirección que el espécimen de suelo se encuentre en el terreno. =. l ensayo de corte directo es el resultado de la aplicación de la ley de &oulom! y el círculo de esfuerzos de 9ohr modi$cado por 7erzaghi en (M=*, siendo su uso más con$a!le en suelos plásticos y en ingeniería se de!e utilizar en estudios que impliquen veri$cación de la capacidad portante del suelo, ya que en este caso la consolidación es completa !a%o la so!re carga que produce la estructura. *. l ensayo triaIial es la prue!a más con$a!le en cuanto a simular las condiciones y el comportamiento del suelo cuando esta sometido a cargas eIternas, ya que en la prue!a se le aplica una presión de con$namiento Bσ*C. n cuanto arcillas se aplican tres tipos de prue!a para predecir el comportamiento del suelo &onsolidada drenada, consolidada no drenada y no consolidada no drenada; en limos y arcillas la prue!a no consolidada no drenada se recomienda para suelos saturados de !a%a permea!ilidad, ya que en el suelo prevalece condiciones no drenadas y la condición J >. n cuanto a la prue!a consolidada drenada y consolidada no drenada, antes de recomendar su uso en la aplicación ingenieril , se recomienda aplicar el método o!servacional, en cuanto a predecir el escenario más desfavora!le y recomendar el ensayo aplicar, seg2n las condiciones se aseme%e el comportamiento más desfavora!le del suelo.
G. l ensayo triaIial en cuanto a suelos granulares en edi$caciones donde el suelo se carga gradualmente, y hay tiempo necesario para que la presión de poros se disipe es recomenda!le un prue!a drenada. &uando las cargas son de impacto como por e%emplo un sismo se recomienda una prue!a no drenada cuya compacidad relativa reproduzca las condiciones de campo. 0. l círculo de esfuerzos de 9ohr y su envolvente de falla especí$camente cumple con las condiciones planteadas en la Ley de &oulom!, en cuanto a determinar los parámetros de cohesión y fricción en la mecánica de suelos. 3arámetro que ayudan al profesional de la geotecnia a predecir el comportamiento del suelo a corto, mediano, o largo plazo seg2n sean las necesidades del proyecto, una predicción a corto plazo podría ser el comportamiento de una eIcavación para la construcción de una recamara, y una predicción a largo plazo el proceso de consolidación de un suelo !a%o cargas eIternas de una edi$cación. 3ara el primer caso aplicaríamos los conceptos de la teoría de empu%es pasivos y empu%es activos, en el segundo caso se estimaría la capacidad portante del suelo. 'demás el método gra$co de círculos de esfuerzos de 9ohr se convierte en una herramienta de compro!ación fácil y rápida, de los parámetros estudiados como son la consistencia del suelo, el ángulo de fricción, presión horizontal y los coe$cientes de empu%e activos y empu%e pasivo entre otros.
TEMA MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTE DEL SUELO EN LAS TRES DIMENSIONES DE LA MEC
l obtener cifras de propiedades medias de cohesión, fricción y pesos unitarios se definen las bases para caracteri(ar los suelos, pero ante todo para establecer el comportamiento de los mismos en cada una de sus funciones estructurales los geotextiles se les reali(an resistencias a la tensión, elongación, pun(onamiento y permeabilidad, pero su arrancamiento depende también de su interacción con los suelos !as geomembranas como elementos laminares manufacturado con material sintético cuyas características de impermeabilidad permiten utili(arlo como recubrimiento o como barrera para controlar el paso de fluidos en un proyecto, estructura o sistema , junto a los geo drenes planares son complementarios a las estructuras de tierra armada y muy %tiles al ayudar a mantener las condiciones y características del suelo, fundamental a la hora de dar estabilidad y durabilidad a las estructuras en tierra armada inalmente se debe advertir al usuario )de los geotextiles vs geomallas vs suelos armados*" las reales limitaciones de las teorías, toma de muestras, ensayos de laboratorio y campo" de las ecuaciones usadas, ya que las condiciones del usuario y el geotecnista est#n m#s all# del control posible por las partes" siendo la interventoría y auditaje de los proyectos una actividad crítica .l geotextil por arrancamiento del refuer(o sujeto a cargas mayoradas debe tener en cuenta las fuer(as de tracción para la resistencia al arrancamiento, pero la estabilidad de los suelos es clave para mantener la forma de las estructuras conformadas con geotextiles y refor(adas con geo mallas !os mantenimientos de las obras de drenaje en tierras armadas son claves para la estabilidad, ya que el fallo para estos casos no es el colapso si no el inicio de movimientos en los suelos .s así como calibrar la calidad de la información es lo ideal cuando se tiene un juicio ingenieril constructivo !os suelos cohesivos no son lo ideal para estructuras armadas con geotextiles, los suelos friccionantes y de buena permeabilidad son lo recomendado" pero la posibilidad de mantener la humedad suficiente y necesaria para mantener la cohesión adecuada permite la utili(ación de suelos con cierta cohesión, pero que no sean f#cilmente deformables o plastificables ante la presencia de agua y cargas externas !as nuevas metodologías apuntan a elementos finitos que miden deformaciones y calculan la resistencia al corte" hecho que no afecta la importancia de los ensayos de campo en los proyectos especiales y de cierta envergadura )riesgos de pérdidas altos en vidas humanas, inversiones e infraestructuras* /
$uando se presentan suelos cohesivos, con problemas de alta plasticidad y0o de alta compresibilidad" en general son suelos con muy baja fricción e inconvenientes para armar tierras con geotextiles y0o geo mallas
1
&ero al permitirse cierta cohesión en los materiales para el cuerpo de un talud, por ejemplo, es posible mejorar la fricción mezclando con materiales granlares transportados " siendo los costos todavía altamente competitivos ante muros refor(ados, semi-refor(ados o de gravedad para estabili(ar terraplenes viales ! Esta "ricci#n o$tenida mec%nicamente al mezclar
granlares con material de la zona& me'ora ante todo las condiciones de arrancamiento del geotextil respecto de las capas de suelo me(clado encapsulado" ya que al controlar la humedad de los muros y terraplenes armados se garanti(a la cohesión y fricción necesaria y solicitante por los modelos matem#ticos planteados !os cuidados que deben tenerse con este tipo de obras para garanti(ar su buen desempeño y mayor vida %til son principalmente de mantenimiento preventivo y períodico de los filtros, capas vegetales y estructuras filtrantes, sin olvidar que la co$ertra (egetal protege de los rayos solares y el da)o antr#pico las mallas te'idas" es recomendable evitar la poda con equipos mec#nicos
sobre el geotextil para evitar cualquier tipo de daño, tal que su durabilidad y resistencia a la tensión pueda garanti(arse para el período de diseño
DIFEREN*ES M+*ODOS ,ARA DE*ERMINAR LA RESIS*ENCIA AL COR*E DE LOS S-ELOS! &ara determinar la resistencia al corte se pueden usar diferentes métodos y ensayos usando las tres dimensiones de la geotecnia" así2
.l conjunto definido de operaciones para la identificación medida y evaluación de una o m#s características de un material )en este caso el suelo* es un ensayo" con los procedimientos tipo 3cocina4, que deben reali(arse al pie de la letra en el laboratorio, y que est#n sometidos a muchas variables y errores &ara determinar la resistencia al corte del suelo tenemos los siguientes ensayos de laboratorio para la mec#nica de suelos, así2
.!
Ensayo al corte directo/ .ste esta normali(ado por la norma 567 D1898" y es un ensayo en el que un espécimen de suelo o roca es sometido a una carga normal y luego se le aplica u esfuer(o cortante para determinar los valores de cohesión y el #ngulo de fricción interna )ver círculo de mohr : coulomb*
;
1
=
3!
El ensayo 0ndice en la cazela de Casagrande" es un ensayo para determinar el límite liquido ) ;< golpes a una altura determinada*" pero finalmente es un ensayo al corte donde se determina la humedad donde el suelo tiene el limite líquido" siendo el índice líquido junto con el índice de plasticidad muy importantes a la hora de aplicar racionalidad y lógica a los resultados" no estadísticas" teniendo en cuenta la humedad natural del terreno" y si ello se eval%a con el criterio de un buen juicio de ingeniería necesario para calibra la calidad de la información al aplicar los métodos comparativos" la resistencia al corte del suelo con cierto contenido de humedad puede ser correctamente deducida .stos costos de laboratorio son bajos pero muy %tiles a la hora de sacar conclusiones de la resistencia al corte de un suelo por los métodos comparativos y correlaciones ante la infinidad de ensayos y tablas disponibles al respecto Ensayo tria1ial con consolidaci#n y drena'e 2 llamado también ensayo $D o ensayo lento &rueba de resistencia de una muestra de suelo a la compresión, en la que el espécimen es sometido a un proceso completo de consolidación, bajo un esfuer(o de confinamiento dado, antes de la aplicación del esfuer(o desviador )axial o cortante, seg%n sea el caso* !a aplicación del esfuer(o desviador se hace se hace de modo tal que a%n los suelos de baja permeabilidad completamente saturados pueden adaptarse a los cambios de esfuer(os debido al esfuer(o desviador" durante todo el proceso se elimina el exceso de presión de poros mediante un adecuado sistema de drenaje" por la lentitud del proceso el ensayo se hace costoso y poco pr#ctico para nuestro medio Ensayo tria1ial con consolidaci#n y sin drena'e2 !lamado también ensayo C-2 o ensayo consolidado r%pido, no es drenado, y durante todo el proceso de aplicación del esfuer(o desviador se mide y registra la presión de agua en los poros del suelo" y así se pueden corregir los esfuer(os reales .s así como este ensayo es m#s r#pido y por lo tanto menos costoso y pr#ctico para nuestro medio Ensayo tria1ial sin consolidaci#n y sin drena'e 2 llamado también ensayo r%pido2 o ensayo --! .nsayo de resistencia a la compresión sobre una muestra que se lleva a la caja de ci(alladura o a la c#mara triaxial sin someterla a un procesos de consolidación y en el que el contenido de agua del espécimen permanece pr#cticamente constante durante la aplicación del
esfuer(o de confinamiento y del esfuer(o desviador Durante la ejecución de este ensayo puede medirse y registrarse la presión intersticial .ste ensayo es m#s pr#ctico para nuestro medio, ya que los costos son menores >
Ensayo de cizalladra con control de de"ormaci#n2 es un ensayo de corte directo en el que la fuer(a cortante es aplicada de modo que la velocidad de deformación es aplicada a voluntad del operador
?
.nsayo de consolidación o ensayo de compresión confinada2 @na muestra de suelo es sometida a un esfuer(o de compresión axial, al tiempo que se impide cualquier deformación transversal al poner la muestra en un anillo y entre dos placas porosas" se pueden obtener las características de compresibilidad, el coeficiente de permeabilidad y consolidación del suelo inalmente la consolidación es la representación de las cargas al suelo, ante los movimientos diferenciales )módulo de elasticidad .* .l edómetro o consolidómetro es un instrumento utili(ado en los ensayos de compresibilidad, consolidación y de potencial de expansión de los suelos y un conjunto de mecanismos de aplicación y medición de carga y de medición de las deformaciones resultantes, lo que puede llevar a calcular la respectiva resistencia al corte de los suelos
.stos ensayos de corte y triaxiales est#n sometidos a la vulnerabilidad de muchos errores sistem#tico y aleatorios )toma de muestras inalteradas* y se basan en la envolvente de un conjunto de círculos de 7ohr que representan las condiciones de ruptura de un material dado )falla del material*, en los procesos de toma de muestra, transporte, proceso de ensayo en el laboratorio tipo receta" es por ello que la determinación del límite líquido, el límite pl#stico para determinar los índices líquido y pl#stico no solo ayudan a clasificar el suelo " si no que se convierten en una herramienta racional y de la lógica, para determinar no solo la resistencia al corte del suelo si no que ayuda a proyectar un comportamiento del suelo, que finalmente es lo importante, es por ello que los ensayos índice para proyectos pequeños y no especiales son muy viables por sus bajos costos y la calibración real de la información cuando se quieren juicios de ingeniería pr#cticos y constructivos
4! Cando se re5iere mayor precisi#n y correr menos riesgos& como es el caso de proyectos especiales o casos cr0ticos con mc6a incertidm$re2 lo ideal es lle(ar e5ipos al terreno 7el campo8 y realizar ensayos directamente en el selo y el s$selo para determinar la resistencia al corte del selo2 entre estos ensayos de campo tenemos/ /
Ensayo de penetraci#n 4orros 2 llamado ensayo de penetración con cono, que consiste en hincar en el suelo una punta de /,< Ag De masa de forma prism#tica" desde una altura de 8,< m se dan golpes con una masa de >< Ag , y el miden el n%mero de golpes necesarios para avan(ar ;8cm .l ensayo permite medir la resistencia a la fricción y a la penetración, correlacionado la resistencia al corte del suelo seg%n el n%mero de golpes necesarios
;
Ensayo de penetraci#n est%ndar 2 &rocedimiento de exploración y muestreo de suelos que consiste en hincar en el suelo un muestreador de tubo partido o una herramienta similar, mediante la aplicación de golpes de un martillo de >1,< Ag Dej#ndose caer desde un a una altura de 8,?< m $omo medida de la resistencia a la penetración se registra el n%mero de golpes necesarios para penetrar una distancia de 8,18 m este n%mero ha sido correlacionado con algunas propiedades relevantes al suelo, particularmente con sus par#metros de resistencia al corte, capacidad portante, densidad relativa, potencial de licuefacción, etc
1
Ensayo de penetraci#n est%tica2 .s un procedimiento de exploración que consiste en introducir en el suelo una varilla de acero, en la punta tiene un cono de dimensiones normali(adas, se registra el esfuer(o para avan(ar a una velocidad dada $orrelacionado se puede determinar la resistencia al corte del suelo
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Ensayo de placa/ &rocedimiento para determinar in situ la resistencia y compresibilidad de un suelo $onsiste en la aplicación de una carga utili(ando una placa met#lica rígida circular y un gato hidr#ulico .ste ensayo se puede reali(ar a la profundidad deseada si se logra desplantar el terreno 5e verifican los asentamientos calculados a partir de unos ensayos de consolidación y se puede evaluar la capacidad portante del suelo .s muy pr#ctico en aquellos terrenos con presencia de discontinuidades
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Ensayo de resistencia la corte in sit O ENSA9O DE :ELE*A 2 $onsiste en introducir en el suelo una varilla con paletas rectangulares dispuestas radialmente en su extremo y se mide el torque necesario para hacer girar el instrumento, calculando la resistencia al corte a partir del torque y teniendo en cuenta las dimensiones de las paletas )B+C7 567 D;
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,enetr#metro de $olsillo2 .ste instrumento es muy pr#ctico, ya que se pueden obtener resultados inmediatos a correlacionar es un buen punto de referencia para la toma de decisiones del tipo de ensayos que se deben usar para complementar los estudios .stos ensayos de campo est#n sometidos a una menor vulnerabilidad a errores aletorios y sistem#tico" por ende si es necesario una mayor precisión al respecto de la resistencia de los suelos es me'or llegar a aplicar na metodolog0a de la in(estigaci#n en el terreno mismo!
C! *ra$a'os en o"icina2 inalmente datos para obtener la clasificación de suelos similares al suelo en estudio, mediante la utili(ación de los medios de comunicación y difusión )índices de plasticidad y líquido*, estructuras geométricas de taludes, datos de permeabilidad, plasticidad, consistencia, percolación, dilatancia, el módulo de rigide( del suelo, potencial de succión, din#mica estructural de los suelos, asentamiento, consolidación, medidas de deformaciones ante cargas)métodos de elementos finitos y diferenciales 82 so de la "oto interpretaci#n, etc Eunto con una buena caracteri(ación del suelo en estudio y proyección del comportamiento de los suelos respecto de los similares de otros casos particulares bien registrados , consignados, certificados y verificados por entidades serias de la geotecnia" pueden aportar datos para modelar matem#ticamente, lograr obtener con correlaciones, comparaciones y experiencias de casos particulares )consultas de estudios serios, registrados y certificados por sociedades de geotecnistas a nivel mundial y local*, la resistencia al corte del suelo en estudio" inclusive sin reali(ar ensayos de laboratorio o de campo al propio suelo problema con experiencia y juicio ingenieril" solamente compar#ndolo con datos de anteriores estudio, casos similares de la (ona, lotes vecinos, etc &ara determinar recomendaciones, conclusiones y datos que pueden servir perfectamente para etapas de pre-factibilidad y factibilidad de proyectos + para aportar a un estudio de un proyecto si el geotecnista considera a su juicio que estas comparaciones pueden justificarse y ser viables" también pueden servir inclusive para solucionar emergencias y tomar decisiones en caliente, mitigar despla(amientos de suelos o casos en que se deba actuar de forma inmediata para bajar la vulnerabilidad de riesgos de pérdidas de vidas humanas y económicas" todo basado en una buena recopilación, uso de las comunicaciones y buen manejo de información en oficina .s por ello que un buen geotecnista y un buen director de laboratorio y perforaciones debe registrar juiciosa e históricamente su trabajo día a día, ya que estos casos, datos técnicos y
