Mecanica de Suelos en Suelos Granulares Mixtos

Geotecni Geotecniaa I - Fac. de Ing. U.N.L.P. U.N.L.P.

GEOTECNIA I “Investigaciones Geotécnicas”

Profesor: Ing. Augusto J. Leoni

Ejecución de calicatas: Excavación a cielo abierto de aproximadamente 2 m2 de sección en planta Calicata N° Perfil resultante

Apertura de calicata, calicata, perfilaje y extracción extracción de dama ( muestra indisturbada)

Z1

Z2 Dama

Z3

Z4

Z5

Ing Augusto José Leoni

1


Esquema de montaje de un ensayo vertical de plato de carga, dentro de una calicata 1: Perfil doble T anclado en el tereno

1

2: Gato hidráulico 3: Aro dinamométrico dinamométrico 4: Comparadores Comparadores centecimales

6

5: Plato de carga 6: Puntal telescópico

3

2 4

5

B

GRAFICO DE RESULTADOS

σ

kg/cm2 k1 Curva tensión - deformación deformación

σ

k 1

1

d =0,12 =0,1277 cm = 0,05” 0,05”


σ =

1

0.127cm

(kg/cm3)

d (cm)

2


B1

B

2.B1

2. B

Tensión = 10% . q

PERFORACIONES PARA ESTUDIOS DE SUELOS

Esquema de ejecución de una perforación manual con recirculación de lodos para un estudio de suelos. ó n s i ó I m p u l s

bomba

Cabeza de inyección

Cañería de perforación

Aspiración

Chupón de la bomba

Mecha de perforación cola de pescado


3


HERRAMIENTAS DE PERFORACION MANUAL

Barreno de mano

CIRCUITO DEL AGUA DE LAVADO


Mecha “cola de pescado”

POZO DE DECANTACION

4

Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

ENSAYO DE CAMPO Ensayo normal de penetración: Es el número de golpes necesario para que el sacamuestras normalizado de Terzaghi penetre en el terreno virgen 30 cm cuando a la cañería se la golpea con un martillo de 140 lb (63,5 kg) que se deja hacer desde una altura de 30 pulgadas (76,2 cm)

Sacamuestras de Terzaghi

0,45 m

MUESTREADOR TERZAGHI Norma ASTM 1586


5


Ensayo normal de penetración ENP o SPT

15 cm 45 cm

15 cm 15 cm Taco de madera de referencia

Sacamuestras de Terzaghi

Perforación

Antes de la hinca

15 cm

Durante la hinca de los 45 cm, contamos los golpes necesarios hincar cada uno de los 3 intervalos de 15 cm c/u

15 cm 15 cm


6


Aparejo para levantar

Esquema de golpeo para los ensayos “SPT” utilizado en Argentina

Disparador

63,5 KG

Pisón

Acción del operador cuando ve aparecer la muesca que marca la altura de caída de 76,2 cm

76,2 cm

Guía del disparador

Muesca que indica la altura de caída Cabeza de golpeo

PROCESO DE HINCA


7


RECUPERACION DE MUESTRAS

Flejes para retención de muestras arenosas ó fluidas


8


ENCUADRE DE LOS SUELOS FINOS EN FUNCIÓN DE LOS RESULTADOS DEL “SPT”

Compacidad relativa Arcillas

Valores del SPT

Muy Blanda

<2

Blanda

2y4

Median. Compacta

4a8

Compresión Simple (kg/cm ) < 0,25 0,25 a 0,50 0,50 a 1,00

Compacta

8 a 15

1,00 a 2,00

Muy Compacta

15 a 30

2,00 a 4,00

> 30

> 4,00

Dura

!

Relaciones aproximadas y orientativas para los suelo de la región Donde X toma valores entre 15 a 20 y cu se expresa en kg/cm

!

cu

N =

φ u

X

=

2o + 0,66.N

qu (kg/cm) !

10 9 8 7 6 5 4

Ks1

3

Es

qu 2

1 = u q

Ks1(kg/cm)

N( SPT)

N=1

Ks1=1

"

Es(kg/cm ) !

0 0 5

0 0 4

0 0 3

0 0 2

0 5 1

0 0 0 0 0 0 0 1 9 8 7 6 5

0 4

0 3

0 2

5 1

0 9 8 1

E=1 7

6

5

4

3

2

0.9 0.8 0.7

2

3

4

5

6 7 8 9 10

15

20 25 30

0.6 0.5 0.4 0.3 0.25 0.2


9


Sondeo 1

Nro

Prof.

Ubicación: Calle 57 entre 6 y 7 - La Plata.

Descripción del Suelo

Napa: -

Clasif. Wn, Wl, Wp, Ip, Granulometría

E.N.P.

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Representación de los resultados de un estudio de suelos 1

0,72

Limoarcilloso castaño

ML

2

1,22

con escombro

ML

3

2,22

4

3,22

Limosocastaño connódulos

ML

5

4,22

Limoarcilloso

ML

6

5,22

castaño

ML

7

6,22

ML

8

7,22

ML

9

8,22

Limosocastaño

ML

10

9,22

connódulos compactos y tosquillas

ML

11

10,22

Fricc. Cohes.

10 20 30 40

[°]

γd

[K g/ cm!] [g/cm"]

ML

9

0,48

1,47

17

1,20

1,50

>50

ML

Humedad Natural

Límite Plástico

Límite Líquido

Indice Plasticidad

E.N.P.

Pasa tamiz 4

Pasa tamiz10

Pasa tamiz 40

Pasa tamiz 100

Pasa tamiz200

Densidad in situ en suelos granulares En la mecánica de suelos, las propiedades mecánicas de los suelos granulares se refieren siempre a su densidad.

Anillo de “Oroville”

Este valor luego es relacionado con la densidad máxima y mínima del mismo suelo para obtener el valor de la Densidad Relativa Dr (%)


10


Densidad in situ en suelos granulares Volumen Vi

Volumen = Vf - Vi Wh

Manta de latex

Ws =

γ d

wn

Wh

(1 + wn ) Ws =

Volumen Vf

V

Densidad mínima en suelos granulares La densidad mínima que puede tener un suelo granular se refiere al estado más suelto que ese suelo puede adoptar, se determina en el laboratorio mediante un ensayo. El mismo consiste en volcar al suelo en estado seco, en un recipiente de volumen conocido a través de un embudo, desde una altura constante y luego de llenarlo calcular la densidad haciendo

γ d ( mín )

Ws =

V

Ws V

Se vuelca la arena


Se llena el recipiente

Se enrasa y se pesa el material

11


Densidad máxima en suelos granulares La densidad máxima que puede tener un suelo granular se refiere al estado denso que ese suelo puede adoptar, se determina en el laboratorio mediante un ensayo, donde se trata por todos los medios de colocar en un recipiente de volumen conocido, la mayor cantidad de suelo. Para ello se coloca el recipiente sobre una mesa vibrante, y se le adiciona suelo y agua en su interior al mismo tiempo que con una varilla metálica se lo acomoda para permitir una mayor densificación de su masa. Una ves que el recipiente se llena, se le colocan pesas para transmitirle una tensión establecida por norma y se lo deja en la mesa vibrante hasta que no ingrese más suelo en el recipiente. Posteriormente se retira todo el suelo y se lo seca a estufa para luego calcular la densidad máxima γ d ( máx )

Ws =

V Ws V

Se vuelca el suelo granular con agua sobre la mesa vibrante

Se llena el recipiente con suelo y agua sobre la mesa vibrante mientras se lo varilla

Se le colocan pesas para lograr una mayor densificación, luego se enrasa y se pesa el material

CALCULO DE LA DENSIDAD Y DE LA DENSIDAD RELATIVA

Dr %

Dr(%)


=

=

(

e − e mìn e màx − emín

). 100

− γ mín  γ máx   .100 γ máx − γ mín  γ d  γ d

e = Relación de vacíos natural

γd

= Densidad natural

12


Consideraciones especiales a tener en cuenta al momento de valorar los resultados del SPT Suelos Arcillosos

Suelos granulares E

E

E = Cte

E = f(z)

z

z La rigidez del suelo se mantiene constante con la profundidad o lo que es lo mismo con los niveles de tensiones que le induce la tapada

La rigidez de un suelo granular aumenta con la profundidad o lo que es lo mismo con los niveles de tensiones que le induce la tapada

Consideraciones especiales a tener en cuenta al momento de valorar los resultados del SPT en suelos granulares Suelos granulares E

E = f(z)

Los valores del SPT en suelos g ranulares dependen por lo tanto de la presión de la tapada existente al nivel donde se realiza el ensayo. Ello implica que para poder relacionar valores del SPT a di stintos niveles tendremos que corregir los resultados teniendo en cuenta la presión vertical existente en cada nivel.

z La rigidez de un suelo granular aumenta con la profundidad o lo que es lo mismo con los niveles de tensiones que le induce la tapada


13


Corrección de los valores del SPT teniendo en cuenta la presión de la tapada en suelos granulares.

LiaoWhitman

C N

=

1

(8)

,

σ

o

MeyerhofIshihara

El factor de corrección tiene en cuenta la presión de la tapada al nivel donde se ejecuta el ensayo e intenta corregirlo con un valor que se obtendría con un nivel que tenga una tapada que genere una presión vertical efectiva de 1 kg/cm2

Schmertmann Skempton

C N

=

C N

=

C N

=

1, 7 0 , 7 + σ o ´ 10 , 2

(9)

32 , 5 20 ,3 .σ ´ o

(10)

+

2

(11)

1 + σ ´o

4.0 3.5

" c N 3.0 " n ó i 2.5 c c e r r 2.0 o C e 1.5 d r o 1.0 t c a F 0.5

0.0 0.1

1

10

100

Presión de la tapada (kg/cm !)

(8)

(9)

(10)

(11)

Supongamos que tenemos un manto de arena de 25 m de espesor con una densidad de 2 tn/m 3 que al nivel de -1,25 m tiene un valor de SPT = 5 podemos hacer: 3 o’= 2 tn/m .

σ

C N

1,25 m = 2,50 tn/m2 = 0,25 kg/cm2

=

1 σ

,

CN = 2

Nc= CN . SPT

o

Nc = 2 . 5 = 10 Si hacemos otro ensayo al nivel de los -20 m y obtenemos un valor de SPT = 20 al corregirlo observamos lo siguiente: 3 o’= 2 tn/m .

σ

20 m = 40 tn/m 2 = 4 kg/cm2

C N

1 =

σ

,

CN = 0,5

o

Nc = 0,5 . 20 = 10 Esto quiere decir que la arena que se ubica al metro de profundidad, con un SPT = 5 tiene la misma densidad relativa que la arena ubicada a -20 m que da un SPT = 20, las dos tienen una densidad relativa correspondiente a la de las arenas “MEDIANAMENTE DENSAS”


14


ENERGIA SUMINISTRADA EN EL ENSAYO SPT

Con disparador

N 1

=

f (

1 E 1

)

Con reenvío

N 1 × E 1

=

N 2

×

E 2

Con malacate

N 1

=

N 2

×

E 2

E 1

ENSAYO SPT EN SUELOS GRANULARES Ncorr. = N CN CE CR x

x

x

N = Valor obtenido en el Ensayo Normal de Penetración (SPT) en el ensayo

CN = Factor de corrección por la presión de la tapada o por la profundidad del ensayo CE CR


=

=

Factor de corrección por la energía entregada por el martillo (0,45 ≤ η 1 ≤ 1) Factor de corrección por el diámetro de la perforación (>1 φ = 5” ; = 1 φ = 3”)

15


ENSAYO SPT Y DENSIDAD RELATIVA (suelos granulares)

Valores de “Nc”

Descripción

Muy Suelta

Suelta

Med. densa

Densa

Muy Densa

Dr (%)

0 a 15

15 a 30

30 a 60

60 a 80

80 a 100

Arena fina

1 –2

3–6

7 – 15

16 – 30

> 30

Arena media

2 –3

4–7

8 – 20

21 – 40

> 40

Arena gruesa

3 –6

5-9

10 - 25

26 - 45

> 45

ENSAYO SPT Y DENSIDAD RELATIVA Dr (%) =

100. N (1) 23 + 0,716. N

Dr(%)=11,7 + 0,76

222. N + 1600− 53.σ ov − 50.Cu2

(2)

Densidad relativa - SPT 100 90

Donde en la fórmula (2) el valor de “σov” se expresa en Libras sobre pulgadas cuadradas (lb/in2) y “Cu” representa el valor del Coeficiente de Uniformidad del suelo granular

80

) % ( 70 a v 60 i t a l e r 50 d a d 40 i s n 30 e D

20 10

Cu = D60/D10.

0 0

10

20

30

40 50 Ensayo SPT

Fórm ul a N° 1


60

70

80

Fórm ul a N° 2

16


ENSAYO DE SPT Y ANGULO DE FRICCION INTERNA ´

φ

(Peck)

φ ´

(Kishida)

=

(Muromachi 1974)

20° + (0,45. Nc)

28,5° + (0,40. Nc)

´= 15° + 18. Nc

φ

(Hatanaka – Uchida)

=

φ ´= 20° +

15,4. Nc

φ ´ ´= 20° + 3,5 . Nc  Nc  0, 34  φ ´ Arc tan     27  

(Schmertmann)

=

(Peck Hanson Thornburn)



26,25 ×  2 − e

φ ´

=

(−

Nc

39

)



  

(Japan National Railway)

φ

´

=

27° + (0,30. Nc)

(Japan Road Boreau)

φ ´

=

15° + (15 . Nc

ENSAYO DE SPT Y ANGULO DE FRICCION INTERNA EN SUELOS GRANULARES 60 55 50 45

) ° ( o40 l u g35 n A

30 25 20 15 0


10

20

30 40 50 Ensayo SPT corregido "Nc"

60

70

80

17


ENSAYO SPT Y MODULO DE DEFORMACION 800

Arenas finas con limos Es = 5,3 .N70 + 76 Es = 4,9 .N70 + 73

Arenas finas limpias Es = 6,5 . (N70 + 12) Es = 7,8 .N70

) m 700 c / g k 600 ( s E 500 n ó i c 400 a m r 300 o f e D 200 e d o 100 l u d ó 0 M !

Arenas gruesas

0

10

Es = 7,7 .N70 + 190) Es = 80 . N 70

20

30 40 50 60 Número de golpes "SPT"

Arenas gruesas

70

80

Arenas finas

Módulo de Young inicial en suelos granulares Scheiding – 1931

Ei

=

C .(

Pc Pa

) n .Pa

Donde: “C” y “n” son valores que dependen de la densidad relativa de la arena “Dr” Arenas densas Para σo’ = 1 kg/cm

!

C = 2.100 kg/cm

!

n = 0,33

Arenas sueltas Para σo’ = 1 kg/cm

!

C = 100 kg/cm

!

n=1

Donde σo’ representa la presión de octaédrica = z . γ´.(1+ 2.ko)/3 Para cualquier otro valor de σo’ en función del SPT corregido


n

=

1,1 − 0,4. Log ( Nc )

Nc   C =    0,5 + 0,015. N 

2 +

80

18


Scheiding – 1931 Relación entre el Modulo tangente inicial y la presión ejercida 10 000

l a i c i n i e t n e g 1 000 n a t o l u d ó M

100 1

10

100

Presión (kg/cm2) Arena densa

Arena suelta

Módulo de deformación tangente inicial en arcillas en función de qu (qu = resistencia a la compresión simple)

Ei = (100 a 250) x qu

Arcillas normalmente consolidadas, sensitivas

Ei = (350 a 600) x qu

Arcillas normalmente consolidadas o ligeramente sobre consolidadas, insensitiva Ei = (750 a 1.000) x qu Arcillas sobre consolidadas


19


ENSAYO DE SPT Y MODULO DE BALASTO VERTICAL Para Suelos Granulares kv1 = ( Nc.0,04)

4, 3

kv1 = ( Nc.0,04)3,7

+

Nc.0.25

+

Nc.0,12

Arenas secas o húmedas Arenas sumergidas

35 30

) 3 m25 c / g k ( 120 v K e15 t n e i c i f 10 e o C

5 0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Ensayo de penetración Nc (SPT)

Ar ena s s ec as o hú meda s

Ar ena s s atur ada s

DENSIDAD RELATIVA Y ANGULO DE FRICCION

 Dr %  φ ´= 21° +    20 

(Giuliani Nicoll) (Meyerhof 1956) (Arenas con > 5% de suelos finos)

(Meyerhof 1956) (Arenas con < 5% de suelos finos)


2,12

0 ,866   Dr (%)   φ ´= Arc tan 0,575 + 0.361.    100   

φ ´= 25° + 0.15.Dr (%) φ ´= 30° + 0.15.Dr (%)

20


DENSIDAD RELATIVA Y ANGULO DE FRICCION 60 55 50

) ° ( n 45 ó i c c 40 i r f e d 35 o l u 30 g n A25 20 15 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Densidad relativa (%)

Sacamuestras de Zapatas Intercambiables de Moreto (Raymond)

Ar % = (De – Di ) / Di !

Terzaghi Ar = 93 %


!

Raymond Ar = 58 %

!

Shelby (3”) Ar = 10 %

21


OBTENCION DE MUESTRAS INDISTURBADAS DE PERFORACIONES Sacamuestras Shelby Presión estática, sin golpes, en forma manual o con gatos hidráulicos

Suelos arcillosos blandos a medianamente compactos 0
SACAMUESTRAS ROTATIVOS


22


Corona de corte rotativa y Zapata de corte

SACAMUESTRAS DENISON Y MUESTRA


23


Muestras Denison de suelos arcillosos de 4” de diámetro

Muestra Denison de suelo limoso con arena


24


Muestra de suelo preconsolidado y fisurado de la Fm. Pampeano

MUESTRA ORIGINAL COLOCADA EN EL TALLADOR PARA PREPARAR UNA PROBETA


25


PROCESO DE TALLADO DE LA MUESTRA

PROBETA TERMINADA


26


ENSAYO DE LA VELETA DE CORTE O DE “VANE TEST”

CONEXIÓN DE LA VELETA CON LA CAJA DE REGISTRO


27


CAJA DE REGISTRO Velocidad de giro de la manivela a 1rev/seg que asegura un giro de la veleta de 6°/min

VELETA DE CORTE “VANE TEST”

H D Cu

T máx

= π

 H  × d 2 ×  + 0,167 × d  2 

Como en el caso que estamos mencionando se utilizaron veletas de corte donde H/d = 2 Cu


=

0 , 273

×

T máx d

3

28


RESULTADOS DE MAYNE Y MITCHELL: Para arcillas normalmente consolidadas 1 000

4,77 .( cu medido ) 0,83

p´

=

100

Donde los valores de pc´ y cu se expresan en tn/m2

) ) m 2 / m n / t ( n t c ( P ’ p !

10

Skempton (1957) cu p´

1 0

1

10 100 Cu medida (tn/m !)

=

0 ,11

+

0 , 0037 . Ip

1 000

MEDICIONES DE CAMPO: Traza del Emisario de As. As en el Río de La Plata

Arcillas de origen marino, en el lecho del Río de La Plata 0

Cu

-5 ) m ( d a d i-10 d n u f o r P

=

0,018 .z + 0,04

(Cu en kg/cm2) z en metros

-15

-20 0.00


0.10

0.20

0.30 0.40 0.50 Cohesión (kg/cm!)

0.60

0.70

29


Determinaciones con el ensayo del Piezocono

Parámetros determinados con el Piezocono

Punta


30


Determinación de la velocidad de la onda corte en suelos Crosshole osciloscopio

Bomba

∆

t

Vs =

∆ ∆

X t

Martillo de profundidad Geofono receptor

tren de ondas

Profundidad de ensayo

Packer inflable

Packer inflable

Sondeo emisor ∆ x

Sondeo receptor

Determinación de la velocidad de la onda corte en suelos Downhole osciloscopio ( Z1)

Bomba ( Z2 )

Plancha horizontal con una carga dinámica vertical

∆t

∆ x

Z1

d a o n e d n r e T

Z2

∆R

= R1 - R2

2

2

R1= Z1+ X 2

2

R2 = Z2+ X Manto a Ensayar

Packer inflable


Geofonos receptores

Vs =

∆R ∆t

Sondeo único

31


Ensayo Dilatométrico de Marchetti

Dilatómetro de Marchetti


32


Dilatómetro de Marchetti Po = Presión necesaria para un desplazamiento nulo de la membrana P1 = Presión necesaria para un desplazamiento de la membrana de 1,1 mm en el centro uo = Presión hidroastática al nivel del ensayo P = P1 - Po

∆

ID = Indice del material

I D

KD = Indice de empuje horizontal

K D

=

∆ P

( Po − uo)

=

Po − uo σ

vo

'

Ko = (KD / 1,5)0,47 – 0,6 ED = Módulo dilatométrico = 34,7 . ∆ P) OCR = (0,5 . KD)1,56 cu = 0,22. σv0’(0,5.KD)1,25

Comparación entre Cu determinada a través de DMT y de otros ensayos


33


EQUIPO DE MENARD

ESQUEMA DE LA MONOCELDA ORIGINAL DE MENARD


34


ESQUEMA DE EXPANSION DE LA SONDA DE TRES CELDAS DE MENARD

EXPANSION DE LA CELDA CENTRAL O DE CARGA

PRICIPIOS BASICOS DEL ENSAYO DE PRESIOMETRIA


35


FACTORES DE CORRECCION QUE INTERVIENEN EN EL ENSAYO CORRECCION POR RESISTENCIA A LA EXPANSIÓN DE LA SONDA

CORRECCION POR DEFORMACION DE LOS CIRCUITOS HIDRAULICOS DEL EQUIPO


36


REGULACION DE LAS DIFERENCIA ENTRE LAS PRESIONES DEL AGUA Y DEL GAS

REGISTROS DE PERAMETROS Volumen (cm3)

Rango elástico

Vf Vm Vc

∆

P

∆

V

Presión (bar) Pc


Pm

Pf

PL

37


GRAFICO TIPICO DE EN ENSAYO DE PRESIOMETRÍA

Interpretación del ensayo de Presiometría

PL E

Vo


v

∆

38


Esquema de un Presiómetro autoperforador de Cambridge (Self Boring Pressuremeter)

Presiómetro auto perforador de Cambridge


39


Diseño de plataformas de trabajo para investigaciones bajo carga de agua

Plataforma marina transportable y de apoyo fijo


40


Vibracore para extracción de nuestras continuas de 6,00 m de longitud y de 2” de diámetro


41



42


Sacamuestras de barros (Contaminación)


43


Sacamuestras de barros de sección cuadrada con vaina interna de polietileno para barros contaminados

Extracción de muestras de barro del lecho de un río


44

Mecanica de Suelos en Suelos Granulares Mixtos

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