Tema 1 Esfuerzos Totales y Efectivos

FACULTAD DE

DE SUELOS Y ASFALTO UN IV ERSIDAD ERSIDAD RICARDO PAL PAL MA LA BOR BORAT ATORIO ORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO ASFALT O

TEMA 1

SEMESTRE 2011-0 CURSO: MECANICA DE SUELOS II PROFESOR: Ing. OSCAR DONAYRE CÓRDOVA

UN IV ERSIDAD ERSIDAD RICARDO PAL PAL MA LA BOR BORAT ATORIO ORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO ASFALT O

TEMA 1

SEMESTRE 2011-0 CURSO: MECANICA DE SUELOS II PROFESOR: Ing. OSCAR DONAYRE CÓRDOVA

UN IV ERSIDAD ERSIDAD RICARDO PAL PAL MA LA BOR BORAT ATORIO ORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO ASFALT O

de los

suelos

relacionados a la

(def (defor orma maci cion ones es). ). Comp Comple leme ment ntar aria iam mente ente análisis y diseño de obras geotécnicas , contención y cimentaciones.

UN IV ERSIDAD ERSIDAD RICARDO PAL PAL MA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO

UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

•

de Suelos Saturados. •Cálculo de Esfuerzos Transmitidos al Subsuelo mediante la aplicación de la Teoría de la Elasticidad. Primera Evaluación. • onso ac n n mens ona , roceso e Consolidación según la Teoría de Terzaghi. Tipos de , Consolidadas, Preconsolidadas y Sobreconsolidadas. Com resibilidad Estimación de asentamiento or consolidación. •Estado de esfuerzos – Teoria de Morh Coulomb. eor a e o o y es uerzos en cua qu er ano no principal. Segunda Evaluacíon. UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

1° Práctica de Laboratorio nsayo e onso ac n Unidimensional de Suelos

UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO

•Resistencia al Esfuerzo Cortante de Suelos

Granulares y Limo-Arcillosos. Ensayos de Corte Directo, Compresión No Confinada y Compresión Triaxial. •Capacidad de Carga de los Suelos, principales Teorías de Terza hi, Me erhof, Skem ton, Hansen, Vesic y otros aplicados a Cimentaciones superficiales. Estimación de asentamientos en Suelos Granulares mediante la aplicación de la Teoría de la Elasticidad. Tercera Evaluación.


Ensayo de Compresión no confinada Deformación (%)

Esfuerzo

0.000

0.000

0.093

0.117

.

Esfuerzo-Deformación

Vertical (Kg/cm2)

.

0.280

0.826

0.373

1.311

0.466

1.941

0.560

2.375

0.653

3.003

18.0

16.0

14.0

12.0

0.840

4.447

0.933

5.312

1.026

6.369

1.119

7.568

) 2 m c 10.0 / g k ( o z r e u 8.0 f s E

1.213

8.976

6.0

.

.

.

.

1.399

11.709

1.493

14.118

1.586

16.215

1.679

17.590

1.772

17.573

1.866

16.839

1.959

16.440

4.0

2.0

0.0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Deformación (%)

Gravedad Específica Contenido de Humedad

LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO

4.23

3

13.57

3

13.02 11.57

2

401.08

2

7.420 3.71

Peso Unitario Húmedo

(kN/m )

Peso Unitario Seco Grado de Saturación Inicial

(kN/m ) (%)

Módulo Elástico

(kg/cm )

Máxima Compresión

(kg/cm ) g cm

Cohesión

UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA

2.58 %

•Análisis de Estabilidad de Taludes. Método de estabilidad. Aplicaciones mediante el Método ueco ara ue os rc osos sa ura os con os criterios de Taylor- Fellenius; Método de las Dovelas o Fellenius ara suelos mixtos, ara condiciones Estáticas como Seudo-estáticas (Dinámicas). Cuarta Evaluación Obligatoria, su calificación no se sustituye.



3° Práctica de Laboratorio Ensayo de Corte Directo


Análisis de estabilidad método Janbu modificado


rome o

na =

+

+

+

El promedio de calificación de laboratorios, reemplaza a la nota más baja de cualquiera de las tres primeras evaluaciones, así mismo, la Cuarta Evaluación es o ga or a. Las fechas de las Evaluaciones están programadas en: EV1 = Del 10 al 15 de Enero 2011 (17/01/2011)

EV3 = Del 07 al 12 de Febrero 2011 (21/02/2011) EV4 = Del 21 al 26 de Febrero 2011 (25/02/2011)


BIBLIOGRAFIA


•Mecánica de Suelos, T.William Lambe – Robert V. Whitman, Editorial Limusa-Mexico. •Mecánica de Suelos aplicado a la Ingeniería, Karl Terzaghi. •Fundamentos de Mecánica de Suelos, Roy Whitlow. •Mecánica de Suelos –Tomos I y II, Juarez Badillo – Alfonso Rico. •Mec nica e Sue os y Cimentaciones, eorge Sowers. •Análisis y Diseño de Cimentaciones, Joseph Bowles. •Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Carlos Crespo Villalaz. • ngen er a e men ac ones, a p ec – anson Thornburn. UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

•Fundamentos de Mecánica de Suelos y Cimentaciones, Braja Dass. • eo cn a e ngen er o, enr am e or . •Ingeniería de las Cimentaciones, G.A. Leonards. •An s s e mentac ones, a p Scott. Manuales de Laboratorio de Mecánica de Suelos Autores: •Joseph Bowles •Carlos Crespo Villalaz •Arnaldo Carrillo Gil •Genaro Humala UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Exploratorio

Definitivo

Geofísico

Pozo a cielo abierto

Calicatas

Sísmico

Perf.con posteadora

Con Tubos de Pared delgada (Selby)

Resistividad Eléctrica

Método Lavado

Rotativos (Diamantina)

Magnética

S.P.T.

Otros

.

Otros UN IV ERSIDAD ERSIDAD RICARDO PAL PAL MA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO

rav m r ca ca


SPT


Velocidad e on a


Métodos de rueba: onda su er icial Lectora Fuente periódica o con nua geófonos


Definiciones de la const tuc n e os suelos • Los depósitos naturales

Gaseoso

fases constituyentes: 

líquido (agua)

Líquido Sólido MASA

VOLUMEN g

• Cada fase es una

.

V

Vl Vs


g

Liqui Soli

Ml Ms

M

Fases Com onentes de Suelos Parcialmente Saturados Relaciones de Volumen

Va

Wa = 0

Vw

Ww

Vs

Ws

Vv

Vm= Vv+Vs UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO

Wm=Ww+Ws

DISTINTAS RELACIONES DE PARAMETROS DE SUELOS PARA OBTENER: , d, sat Datos Gs e

Peso Unitario húmedo ( γ )

( 1 + ω ) G S γ ω (1+ e ) S

, Gs, e

, Gs, S

, Gs, n ,

,

ω

(1+ e ) ( 1 + ω ) G S γ ω

⎛ ⎝

⎛ ω G S ⎝ S

⎞ ⎞ ⎠ ⎠

G S γ ω ( 1 − n ) ( 1 + ω ) S


ω

−

ω

Datos

Datos

Peso Unitario Seco ( γ d)

γ

,

(1 + ω )

Gs, e

Gs, n

ω ,

Peso Unitario Seco ( γ d)

s,

e, S, ω

ω

(1 + e)

ω

(1 + e) Gs γ ω 1 − n

sa t ,

e

γ sat −

sa t ,

n

sat

sa t ,

G S

e

ω

(1 + e )

−n

ω

Gs (1 +

ω Gs

S

)


(γ sat − γ ω ) Gs (Gs − 1)

Datos Gs, e

Gs, n

Gs, ωsat

e, ωsat

n, ωsat

Peso Unitario Saturado ( γ sat) (Gs + e) γ ω

Datos

Peso Unitario Saturado ( γ sat) e

, γd

e

γ d

+

(Gs (1 − n ) + n)γ w

γd ,

n

γ d

+ n γ w

(1 + ω sat )Gs

, ωsat γd

γ d (1 + ω sat )

, γd

(1 − (

(1 + e)

(1 + ω sat Gs )

(

e ω sat

)(

γ w

(1 + ω sat ) (1 + e)

n (1 + ω sat ) ω sat

Gs

) γ w

γ w


+e

Gs

γ w

)) γ d

+ γ w

La densidad relativa también uede ex resarse en términos del peso específico seco, o: C r (%) = ⎢

d

−

d ( mín )

⎥ ⎢⎣ γ d ( máx) − γ d ( mín) ⎥⎦

d ( máx )

γ d

x100

donde d

= peso específico seco en el estado más denso; es decir, cuando la relación de vacíos es e = peso específico seco en el estado más suelto; es decir, d(mín) cuando la relación de vacíos es e máx d(máx)


Co acidad Relativa (%) 0 – 15

Deno inación Muy Suelta

15 – 35

Suelta

35 – 70

Mediana

– 85 – 100

Muy Compacta o muy Densa


Princi io de Es uerzo Total


suelo real, evidentemente, hace imposible el estudio de las fuerzas existentes en cada unto de contacto. Ya ue las presiones reales dentro de la masa de suelos son anisotópicas. Por lo que es necesario emplear el concepto e . Es así que el concepto de esfuerzo aplicado a los suelos, se entiende como los esfuerzos que existen en una masa de suelo debido: peso propio, al efecto de la presencia de , externas, descargas aplicadas y por último se harán i i i estado de esfuerzos en un punto de una masa de suelo. UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

ESFUERZOS GEOSTÁTICOS El sistema de esfuerzos correspondiente al peso propio del suelo suele ser complicado. Sin embargo, existe la sistema de esfuerzos muy sencillo: cuando la superficie del terreno es horizontal cuando la naturaleza del suelo varía muy poco en dirección horizontal. Presentándose este caso muy frecuentemente, en especial en suelos de origen sedimentario. En tal caso, los esfuerzos se denominan geostáticos.

En lo descrito anteriormente se considera que no existen esfuerzos tangenciales sobre planos verticales y or zon a es raza os a rav s e sue o. or o que e esfuerzo vertical geostático se calcula considerando el . UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Nivel del Terreno (N.T.)

En suelos los esfuerzos de compresión se matemáticamente como cantidades positivas.

h

γ: Peso Unitario del suelo

El esfuerzo vertical total ( v) en un punto es el esfuerzo roducto del eso de los materiales com onentes del suelo (es decir el geostático) que se encuentran por encima del punto considerado. v

Donde: “γ” es el peso unitario del suelo “ ” UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Caso a El esfuerzo vertical total ( v) cuando el nivel fre tico coincide con la superficie del terreno v

γsat

w

Donde: γsat peso unitario del suelo saturado Caso b e erzo ver ca o a v cuando el nivel freático está por encima de la su erficie del terreno v = γw h1 + γsat h2 Donde: γsat peso unitario del suelo saturado UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

N.F. h1

γw N.T.

h2

γsat

v

Caso c (experimental) e erzo ver ca o a cuando el suelo está seco

N.T.

v

h

γd

v

Donde: γd peso unitario seco Caso d es uerzo ver ca o a v cuando el suelo está parcialmente saturado v = γh Donde: eso unitario húmedo o parcialmente saturado UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

v

. .

h

S ≠ 100% ω>0

Caso general v

conformado por varios estratos o capas de suelos = h + h + h γsat1 peso unitario del suelo saturado tipo 1 Donde: eso unitario del suelo saturado ti o 2 N.F. h1

γw

N.T.

γsat 1

sa

2

v UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Concepto de Presión de poro, presión neutra, intersticios, vacios o poros de un suelo saturado. Por lo que masa de suelo. n e caso que no ex s a u o e agua a pres n e poros es igual a la presión hidrostática . Por lo que la presión n ers c a μ en un pun o e erm na o es gua a peso

unitario del agua multiplicado por la distancia (hw) del punto a n ve re co. μ = γw hw UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Para obtener información de los niveles freáticos se pueden utilizar las siguientes alternativas, dependiendo de las características del estudio. Los observaciones se pueden hacer mediante: a ozos ex s en es; uper c es e agua libre (lagos, ríos, canales, manantiales o “ ”, , , . de observación especialmente instalados para .


Pozos de observación del nivel freático ozo s n u o ozo en u a o


n e caso cuan o e . . co nc e con a super c e del terreno, el esfuerzo neutro ( ) será: μ = γw w = γw 1+ 2 N.T.

N.F. h1

h2

Suelo 1

Suelo 2


. . debajo de la superficie del terreno, el esfuerzo neutro será: μ= γw hw = γw (h1+h2-ho) N.T. h1

N.F. Suelo 1

h2

Suelo 2


ho

Concepto de Ascención Capilar en Suelos En una masa de suelo, los espacios vacíos o intersticios interconectados pueden comportarse como tubos capilares e iversos i metros. or o que a uerza e tensi n superficial puede ocasionar que el agua en el suelo . ascención capilar dependerá del diámetro de los “tubos”, esta ascención ca ilar disminuirá con el incremento del diámetro de los “tubos”. Como estos en el suelo tienen diámetros variables, la altura de la ascención capilar no ser uni orme. Sien o a μ en cua quier punto en a zona e ascención capilar aproximadamente a: μ= -S γw h´ Donde h´= distancia medida hacia arriba desde el nivel freático UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Ascención capilar La presión en el punto A dentro del tubo capilar,

hc

A

h´

μ = -γw h´ (para h´= 0 a hc)

Zona de ascención capilar en el perfil del


h´

N.F.

Ascención capilar en suelos poros o vacíos se produce el fenómeno de ascensión capilar. Cumpliéndose el principio siguiente “mientras más pequeños son los poros la altura a la que asciende el agua por encima del nivel freático es mayor. A continuación se dan valores de la suelos indicados en la tabla:

c

Ti Cr: 15% – 35%

D Cr: 70% – 85%

Arena gruesa

0.03 – 0.12

0.04 – 0.15

Arena media

0.12 – 0.50

0.35 – 1.10

Arena fina

0.30 – 2.00

0.40 – 3.50

Limo

1.50 – 10.00

2.50 – 12.00

Arcilla

≥ 10.00


Concepto de Esfuerzo Efectivo ons ere un es uerzo ver ca en un punto A situado a una profundidad h1+h2 . esfuerzo vertical total en el punto “A” es: A = h1γ + h2γsat ue o se deno ina es uerzo e ectivo vertical en A ( A´) a la diferencia entre el esfuerzo total en A menos la resión de poros en dicho punto, conociéndose también a esta presión efectiva como presión intergranular: ´ = + sa UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

N.T.

h1

γ

N.F.

h2

γsat

A´

N.T.

1

. .

2

sat

A´

Esfuerzo Efectivo en “A” ( A´ ): UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

A´ A´

sat -

= h1γ + h2γsat – γω (h2)

Esfuerzo en Condiciones ro n m cas Cuando existe movimiento o flu o de a ua, las presiones ya no se consideran hidrotáticas sino que pasan hacer presiones hidrodinámicas. En es e caso, para conocer os va ores e as presiones de poro es necesario medirlas “in ”, instrumentación geotécnica como son los iezómetros.


Piezómetro (Tubo abierto o Casagrande) Un piezómetro es una tubería de diámetro pequeño, abierta en ambos extremos, generalmente no perforada (excepto en una sección pequeña, no superior a 10-20 cm), instalada revistiendo el pozo filtraciones entre la pared exterior del tubo y el suelo ermitir ue toda el a ua ue in rese a su interior lo haga sólo por el extremo inferior.


Piezómetro abierto e cer ca

Sonda de nivel UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

PIEZÓMETROS ÚLTIMA GENERACIÓN


PIEZÓMETROS NEUMÁTICOS Piezómetros neumáticos o de Diafragma Hidraúlica


Piezómetros neumáticos y lectora de presiones


Piezómetros eléctrico o de Cuerda Vibrante


Para el caso de Piezómetros de Tubo a erto o asagran e Si se em leara con fines de monitoreo eotécnico los pizómetros de tubo abierto o Casagrande, se podría presentar los siguientes casos durante la nstrumentac n e cua se nterpretar a e a siguiente manera:


Cuando el nivel del agua en el tubo abierto coincide con el N.F. hidrostática; por lo tanto no existe flujo ni movimiento del agua: N.T.

N.F.

h1

hp

ω

A UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

p

No hay flujo

Cuando el nivel del agua en el tubo abierto se encuentra encima del N.F. hidrodinámica; por lo tanto si existe flujo o movimiento del agua: N.T.

N.F. hp h1


hp >h1 μ = γω (h ) Existe flujo ascendente

Cuando el nivel del agua en el tubo abierto se encuentra por debajo del N.F. hidrodinámica; por lo tanto si existe flujo o movimiento del agua: N.T.

N.F.

h1

h


hp

RELACIÓN ENTRE ESFUERZOS


Relación entre los esfuerzos horizontales y ver ca es La relación entre los esfuerzos horizontal vertical se expresa por un coeficiente de esfuerzo lateral o de resión lateral se desi na or el símbolo k: σ h k = σ v

Esta de inición de k se em lea indi erentemente de que los esfuerzos sean geostáticos o no. Es común interés la ma nitud del esfuerzo eostático horizontal en ese caso se habla del coeficiente de resión lateral en re oso denominado como k UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Para el caso de suelos sedimentarios el cual está abajo a arriba, al aumentar el espesor de los , del suelo a todos los niveles debido al aumento del . , depósito de arena formado de esta manera, k o . . Por otro lado, existe evidencia de ue el esfuerzo horizontal puede ser superior al vertical si un de ósito sedimentario ha tenido una car a importante en el pasado. En esta caso k o puede alcanzar valores de hasta 3. UN IV ERSIDAD RICARDO PAL MA LA BORATORIO DE M ECANI CA DE SUELOS Y ASFALTO

Tema 1 Esfuerzos Totales y Efectivos

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