FUNDACIONES Y MUROS TEMA 1: Introducción a la Ingeniería de Fundaciones
CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DE LOS MATERIALES MATERIALES QUE CONFORMAN EL SUBSUELO
GEOMECÁNICA MECÁNICA GEOLOGÍA
GEOLOGÍA APLICADA A OBRAS CIVILES
MECÁNICA DE ROCAS
MECÁNICA DE SUELOS
GEOTÉCNIA (Ingeniería de suelos y rocas aplicada a obras cilviles)
Fundaciones Estabilización de taludes Obras de tierra
Túneles
Los problemas geotécnicos son complejos, debido a que: •
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Los materiales pétreos son diferentes en cada sitio (variabilidad vertical y lateral en su distribución espacial), heterogéneos y anisótropos. anisótropos. Especialmente Especialmente los suelos no poseen una relación esfuerzo-deformaci esfuerzo-deformación ón líneal única y su comportamiento mecánico depende de los niveles de esfuerzos a movilizar, tiempo y condiciones ambientales. ambientales. Existen limitaciones limitaciones en el muestreo y la medición de propiedades mecánicas in situ y en laboratorio LA SOLUCIÓN DE ESTOS PROBLEMAS JAMÁS ES ÚNICA NI EXACTA. En el ámbito ingenieríl, toda obra civil se puede construir. La limitación principal radica en el presupuesto disponible para ejecutar obras de calidad y ajustados a los factores de seguridad normativos. El dise diseño ño efic eficie ien nte impo impone ne el mane manejo jo de las las varia ariabl bles es:: máxi máxima ma func funcio iona nalilida dad d o rendi endimi mien ento to al míni mínim mo cost osto, en el ent entendi endido do de que el prob proble lem ma geo eottécnic cnico o eva evalúa lúa la relac elació ión n cost osto-ri -riesg esgo en el mar marco del del presupuesto presupuesto disponible.
Conceptos de FALLA en Ingeniería geotécnica
(Tomado de Rodríguez Nelson (2012). Apuntes
de Ingeniería de fundaciones. Universidad Central de Venezuela)
Una falla es un comportamiento mecánico inaceptable de los materiales y elementos estructurales que conforman una obra civil. Falla Estructural : es una disfunción mayor irreversible que implica colapso, rotura, deslizamiento,
derrumbe, pérdida total de las fuerzas resistentes. La super estructura y/o infraestructura colapsa catastróficamente o experimentando asentamientos de magnitudes extraordinarias. Falla Funcional : ocurrencia de deformaciones o desplazamientos de magnitudes intolerables y
condiciones internas o externas de la obra civil que comprometen el uso apropiado y seguro. Eventualmente pueden conducir a la falla estructural. La falla funcional compromete el uso confortable y estético, causado por las distorsiones en la estructura, que traen como consecuencia la pérdida de horizontalidad y verticalidad.
Estudios Geotécnicos: el conjunto de investigaciones que se realizan in situ, laboratorio y oficina con el fin de recopilar datos sobre las condiciones generales que poseen los materiales que conforman a un terreno, sobre los cuales se tienen intenciones de construir obras civiles. De estos se desprenden conclusiones y recomendaciones necesarias para establecer las especificaciones de proyectos y procedimientos constructivos. Los Estudios geotécnicos deben proporcionar toda la información relevante relativa al terreno de fundación (materiales que lo conforman y disposición espacial), su probable comportamiento futuro, tratamientos y procedimientos de construcción idóneos. Esta información debe presentarse de manera sencilla, clara y sistematizada. La naturaleza del estudio dependerá de la envergadura de la obra, siendo recomendable el carácter representativo del muestreo, pruebas in situ y ensayos de laboratorio. Los trabajos de campo consisten en reconocimientos de superficie, estudios fotogeológicos, exploraciones del subsuelo. Las pruebas de laboratorio se realizan para caracterizar a las muestras representativas obtenidas en los sondeos exploratorios. El trabajo de oficina consiste en la elaboración del proyecto, que involucra análisis de la información disponible, evaluaciones de comportamiento técnico de las obras, conclusiones y recomendaciones detalladas concretas.
IMPORTANCIA: indispensable para el adecuado diseño y construcción de las obras civiles.
OBJETIVOS •
Proporcionar conocimiento suficiente del terreno.
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Establecer la factibilidad del proyecto.
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Establecer condiciones contraindicadas
ALCANCE: producir planos y secciones geotécnicas que reflejen las condiciones del subsuelo y sus efectos en la construcción de la obra.
COSTO: El Costo aproximado de la evaluación geotécnica de un terreno generalmente está en función el costo total de la obra, por lo tanto, el nivel de profundidad y detalle debe estar acorde a la importancia o envergadura del proyecto. •Condiciones normales: 0.25 a 1% del costo obra. •Topografía y geología compleja: 5% o más.
PLANIFICACION •Clave para la optimización tiempo – presupuesto. •Número, profundidad, tipo de exploración que depende de las condiciones del sitio y del presupuesto disponible. Se requiere de conocimientos previos sobre la litología característica de la zona. General •La exploración se realiza en etapas Detalle
FASES DE LA EXPLORACION FACTIBILIDAD. (Primera fase) Recopilación de planos e informes geológicos. Recopilación de estudios sísmicos. FUNVISIS – Norma Covenin Reconocimiento geológico de superficie preliminar. Interpretación de fotos aéreas existentes. Cartografía Nacional. Informe preliminar. Planificación siguiente fase. • • • • •
ANTEPROYECTO. (Segunda fase) Estudio geológico de superficie detallado. Exploración superficial del subsuelo: calicatas. Perforaciones preliminares. Determinación de propiedades índice en el laboratorio. Perfiles sísmicos. Fotointerpretación: pares estereoscópicos aéreos. Perfiles geotécnicos preliminares. Clasificación ingenieril del macizo. Informe de avance. Planificación siguiente fase. • • • • • • • • •
PROYECTO. (Tercera fase) •
Estudio geotécnico detallado: levantamiento discontinuidades.
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Perforaciones de detalle con toma de núcleos.
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Información de discontinuidades a profundidad: Cámara de TV, núcleos orientados, impresiones.
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Registros geofísicos “Downhole”.
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Determinación de resistencia mecánica en laboratorio.
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Medidas de deformabilidad y esfuerzos insitu.
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Pruebas de permeabilidad a presión.
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Instalación de piezómetros
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Informe geotécnico final: Evaluación integral del subsuelo. Perfiles geomecánicos.
Procedimiento general para el diseño se Fundaciones Estudio geotécnico
Recopilación de antecendentes y reconocimientos geológico de superficie
Exploración del subsuelo
Ensayos de campo y laboratorio que permitirán cuantificar las propiedades mecánicas de interés ingenieríl de los materiales que conforman al subsuelo Selección del tipo de fundación y diseño geotécnico-estructural: selección, análisis y diseño del sistema técnica y económicamente factible para las condiciones en estudio
Factores a considerar relativos a la superestructura, subsuelo, proceso constructivo, costos asociados
Recopilación de antecendetes y reconocimientos geológico de superficie
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Ubicación Área del terreno Levantamiento topográfico detallado Información legal del terreno: No. de catastro, Propietario, linderos, zonificación y variables urbanas Necesidades o aspiraciones del Propietario (Existencia de anteproyecto o interés de uso de la parcela)
Tomado de Braja Dass (2006)
MÉTODOS DE EXPLORACION DEL SUBSUELO . Tomado de Pietro De Marco (2007). Apuntes del curso Mecánica de Rocas. Universidad Central de Venezuela
DIRECTOS: Permiten la penetración física del subsuelo y la toma de muestras. FOSAS O CALICATAS: Observación directa del terreno. Toma de muestras. TALADROS DE MANO: Toma de muestras perturbadas a mayor profundidad. TALADROS A MAQUINA: Mayor diámetro, rapidez y profundidad.
Limitaciones: Aparición de la mesa de agua, peñones o roca, derrumbe de las excavaciones.
PERFORACIONES A MAQUINA (Sondeos): Mayor aceptación. Se obtienen muestras y parámetros útiles para diseñ o.
INDIRECTOS: Medición de propiedades del terreno e interpretación de sus características, sin toma de muestras. METODOS DE PENETRACION CONICA (Estática, Dinámica) PRUEBA DE VELETA PRUEBAS DE PRESIOMETRO PRUEBAS DE CARGA SOBRE PLACA ENSAYOS DE PERMEABILIDAD. Piezómetros FRACTURA HIDRAULICA
METODOS GEOFISICOS: Método Sísmico { Perfiles, Downhole Resistividad Eléctrica
TOMA DE MUESTRAS EN PERFORACIONES GEOTECNICAS •
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OBJETIVO: Tomar muestras de suelo o núcleos de roca, de excelente calidad, representativas del subsuelo, en condiciones lo más semejante posible a su estado en sitio. MÉTODOS DE MUESTREO: - Percusión: en suelos y rocas descompuestas - Rotación: en rocas duras - Combinado: cantos de roca en matriz de suelo Muestreo en suelos y roca descompuesta •
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Muestras perturbadas: Ensayo de Penetración Estándar, SPT Muestras imperturbadas: - Tubo Shelby arcillas blandas - Pistón estacionario arenas sueltas - Deninson arcillas duras - Jhonson arenas - Bishop
Muestreo en rocas: Perforación rotativa
- Tubo sencillo: rocas poco fracturadas
- Tubo doble: MUESTREADORES
Muestreo de cantos de roca :
Serie G: Serie M (D/F) : rocas muy meteorizadas y fracturadas.
Serie Q (Wire-line):
Rotación en zona de cantos y Prueba de Penetración Estándar (SPT) en intervalo con predominio de matriz.
PRUEBA DE PENETRACION ESTANDAR SPT. Muestreo a percusión. NORMA A S T M D – 1586,, I R T P 1988 Procedimiento: - Limpieza o avance de los primeros 55 cm de cada metro. - Introducir muestreador tipo cuchara partida. - Penetrar el muestreador en el subsuelo en 3 intervalos de 15 cm c/u utilizando el martillo de 140 lb y caída libre 76 cm. - Registrar el índice SPT correspondiente al número de golpes necesarios para hacer penetrar los últimos 30 cm. - Limpieza de los próximos 55 cm ó colocación de forro. - Nº de golpes máximo (según Norma): 100 golpes y anotar penetración parcial alcanzada. - Otro criterio: 50 ó 70 golpes en 10 cm. - IRTP: NEXT: Suspender hinca a los 50 golpes. NEXT = 4 N1 NEXT = 2.4 N2 Donde: N1 = Nº de golpes para penetración de los primeros 15 cm. N = Nº golpes para penetración de 15 a 30 cm.
MUESTREO A ROTACION
Caracterización de macizos rocosos mediante perforaciones rotativas.
%RQD=
De diámetro NX. Serie M núcleos 10 cm largo x 100 longitud perforada
(% R Q D)= Rock Quality Designation
Corrección del Número de golpes SPT (ver Artículo De Marco ) Corrección por energía incidente de referencia 60%:
(6) = 0,7
Influencia del nivel de esfuerzos en suelos granulares
(6) = 0,7
Donde :
=
10
,
´
´ : esfuerzo vertical efectivo a la profundidad del ensayo mayor a 2,5 t/m 2
Evaluación de las Propiedades Índices de los materiales pétreos en laboratorio. (Tomado de De Marco (2000)). •
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Todas las muestras recuperadas de las perforaciones, serán descritas visualmente, clasificadas litológicamente y agrupadas en estratos por personal profesional calificado. Se determinará el contenido de humedad natural de cada una de las muestras obtenidas por percusión. Las muestras representativas de los diferentes estratos, serán sometidas a ensayos básicos de clasificación (granulometría y límites de consistencia) con el fin de determinar sus propiedades índice y clasificarlas de acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). A las probetas enteras sin signos visibles de perturbación se les determinará el peso unitario natural por el método de la parafina. Todas las probetas de carácter cohesivo, serán probadas con el penetrómetro de bolsillo, con el fin de estimar su resistencia al corte sin drenar. Con el fin estimar los parámetros de resistencia al corte a utilizar en diseño de fundaciones, se realizarán ensayos de corte directo en materiales básicamente granulares y ensayos de compresión sin confinar en materiales predominantemente cohesivos. En casos particulares pudiera requerirse la realización de ensayos triaxiales. En caso de que se detecten suelos compresibles o colapsibles, deberán tomarse muestras imperturbadas para realizarles ensayos especiales. En arcillas de alta plasticidad, secas, muy duras y densas, cuyas características de humedad, sedimentación y plasticidad, indiquen potencial expansivo, se realizarán ensayos de expansión libre y controlada en consolidómetro. En los núcleos de roca intacta, se estimará su resistencia a la compresión sin confinar mediante ensayos de carga puntual y/o pruebas con el dispositivo de Schmidt. En los casos en los que la importancia de la obra lo amerite, se seleccionarán muestras de roca intacta por litología y/o por tramos, para ser sometidas a ensayos de compresión sin confinar, tracción indirecta y/o a ensayos triaxiales, para determinar el parámetro m i y el módulo de deformación de la
Caracterización geomecánica Uno de los principales problemas que enfrenta el ingeniero geotécnico consiste en cómo aplicar la confianza en las estimaciones de propiedades índices y mecánicas del subsuelo, los métodos de análisis o modelaje de los problemas, a fin de garantizar la seguridad en las obras a proyectar. En principio depende del presupuesto disponible, de la cantidad y calidad de información, para aplicar metodologías de trabajo capaces de evaluar procesos complejos que respondan con prontitud a las necesidades del cliente. Generalmente los métodos de modelado son simplificados, para lo cual, se establecen correlaciones entre parámetros fácilmente medibles, necesarios para efectuar los análisis. El concepto de factor de seguridad está asociado con la INCERTIDUMBRE. En geotecnia, la incertidumbre viene dada por: variabilidad espacial inherente a la masa de material, limitaciones de recursos disponibles en cuanto a presupuesto, equipos y vicios en los procedimientos, limitaciones en el modelo matemático y físico del subsuelo.
Para manejar la incertidumbre se emplean técnicas probabilísticas y métodos estadísticos, la cual integran una visión global del comportamiento mecánico de los materiales.
Factor de seguridad de Diseño
=
Una manera de considerar la variabilidad espacial de una propiedad del suelo para el diseño: •
Valor promedio de la propiedad - 1,5.desviación estándar
(95% de confiabilidad)
•
Valor promedio de la propiedad - 2.desviación estándar
(99% de confiabilidad)
Fundaciones superficiales: 4 ≥ ≥ 3 Fundaciones profundas: 3 ≥ ≥ 2
