Carrera de Ingeniería Civil Ingeniería Geotécnica Cimentaciones Unidad N° 1: Resistencia al Esfuerzo de los Suelos Ing. Luis Raygada Rojas CIMENTACIONES Unidad N° 1: RESISTENCIA AL ESFUERZO DE LOS SUELOS Unidad N° 2: PRINCIPIOS GENERALES DEL DISEÑO DE CIMENTACIONES Unidad N° 3: TEORIA DE ASENTAMIENTOS DE LOS SUELOS Unidad N° 4: CIMENTACIONES PROFUNDAS Unidad N° 5: INSTRUMENTACION GEOTÉCNICA LOGRO DE LA SESIÓN “Aprende a determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos en terminos de esfuerzos totales y efectivos.” Introducción a la Ingeniería Geotécnica ÍNDICE: 1. Generalidades 2. Investigaciones geotécnicas 3. Ensayos de laboratorio 4. Resistencia cortante 5. Comentarios finales 1. Generalidades Tener un panorama amplio del tema en estudio conociendo los principales suelos problemáticos y sus posibles soluciones 1. Generalidades 1. Generalidades 1. Generalidades 1. Generalidades 1. Generalidades 1. Generalidades Tomado de Notas de Clases Dr. JCG 1. Generalidades Suelos problemáticos • • • • • Suelos Expansivos Suelos Colapsables Suelos dispersivos Suelos orgánicos Rellenos Sanitarios Efectos Locales • • • • Licuación de suelos Densificación de suelos Amplificación sísmica Deslizamientos de taludes 1. Generalidades SUELOS EXPANSIVOS CARÁCTERÍSTICAS, MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN Y SOLUCIONES 1. Generalidades SUELOS EXPANSIVOS • Definición: Son suelos que tienen la propiedad de contraerse o expandirse debido a cambios en su contenido de humedad. Este proceso involucra grandes cambios volumétricos generando esfuerzos considerables. • Características de estos suelos: Son arcillas altamente plásticas y con alto contenido de montmorillonita en su composición. 1. Generalidades (a) Interior Movimientos diferenciales (b) Esquinas a) Movimientos estacionales del terreno descubierto b) Movimiento estacionales debajo de un edificio, a partir de su construcción. 1. Generalidades AGRIETAMIENTOS PRODUCIDOS POR LEVANTAMIENTO DE LA CIMENTACIÓN 1. Generalidades • Región Norte y Nororiente. – – – – – – Piura. Paita. Talara. Chiclayo. Iquitos. Bagua. • Región Sur. – Moquegua. 1. Generalidades EDIFICACIONES EN PUNTA ARENAS - TALARA 1. Generalidades DAÑOS EN CONSTRUCCIONES LIVIANAS 1. Generalidades FALLAS POR EXPANSIÓN DE SUELOS EN EL CENTRO DE SALUD DE SAN ANTONIO - MOQUEGUA 1. Generalidades MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN • En el campo – Características del terrón de suelo. – Características del terreno. – Clima. • Mineralogía • Ensayos de Laboratorio – Ensayos de Expansión Libre – Ensayos de Expansión Controlada 1. Generalidades ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN • • • • • Reemplazo de suelo. Cimentación flotante. Pilotes excavados. Prehumedecimiento. Barreras de humedad verticales. • Cortinas de inyección de una mezcla de limos y cenizas volátiles. 1. Generalidades ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN • Geomenbranas. • Estabilización Química. – Con cemento. – Con cal. – Con cenizas volátiles – Componentes orgánicos (resinas). 1. Generalidades (a) Distribución irregular de las presiones bajo el cimiento, debido a las arcillas arcillas expansivas. (b) a) Exterior seco. El interior conserva o aumenta la humedad. b) Exterior más húmedo que el área protegida por el edificio. Soleras sobre terreno expansivo. (a) (b) a) Solución de bovedillas encontradas en varias demoliciones. b) Versión moderna del mismo principio. (Jiménez Salas y Marsal, 1964). 1. Generalidades Espacio libre para expansión 1. Cimentación tipo palafito. (1) (2) Movimiento del suelo Aquí vemos un ejemplo de una forma errónea y correcta para el diseño de una estructura adaptable a suelos expansivos. Estable Incorrecto 2. Solución de cierre del espacio de expansión, para mejor su aspecto y limpieza Correcto 1. Generalidades Vigas de Plataforma Losa Planta Losa Vigas de concreto reforzado Elevación Puntos de suspensión Esta es otra forma para diseñar una estructura adecuándola a suelos expansivos. Esta casa es construida sobre una plataforma rígida que se inclina cuando el suelo se expande. 1. Generalidades EDIFICIO CIMENTADO EN UN TERRENO EXPANSIVO (LAMBE & WHITMAN, 1969) 1. Generalidades SUELOS COLAPSABLES CARÁCTERÍSTICAS Y ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN 1. Generalidades • Definición: Generalmente son suelos de origen eólico, cuya estructura está ligeramente cementada por sales acarreadas por la brisa marina, con lo cual adquieren una resistencia aparente. Son suelos en estado metaestable, que generalmente se presentan en áreas desérticas. . En la actualidad se incluyen en este grupo de suelos a aquellos fuertemente cementados por sales solubles, que sufren grandes asentamientos por la lixiviación de dichos materiales. 1. Generalidades • Características de estos suelos: al contacto con el agua sufren cambios bruscos en su volumen por efecto del lavado de sus cementantes (sales), debido al reacomodo de sus partículas. Cuando el material cementante constituye gran parte de la matriz del suelo, el proceso de lixiviación también genera grandes reducciones de su volumen. 1. Generalidades • Estos se encuentran en las regiones áridas y semiáridas. Los depósitos eólicos, coluviales, residuales, tufos volcánicos pueden ser colapsables. • En Lima, se han encontrado estos tipos de suelos en la ciudadela Antonia Moreno de Cáceres. • En otros departamentos a nivel Nacional: Arequipa, Majes, Moquegua. 1. Generalidades • En Campo: – Ensayo de Carga Directa con Saturación • En el Laboratorio: – Ensayo de Colapso 1. Generalidades VISTA DE UN MATERIAL GRAVOSO COLAPSABLE EN LA JOYA (FERNANDEZ, E. 1996) 1. Generalidades CANAL DE IRRIGACION LA CANO, CRUZA SUELOS COLAPSABLES PROTEGIDO CON GEOSINTETICOS (FERNANDEZ, E. 1996) 1. Generalidades ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN • Generación del Colapso por Saturación • Impermeabilización de suelos. • Evitar la construcción de jardines, diseñando jardineras. • Estabilización del terreno mediante procesos físicos o químicos. 1. Generalidades ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN • Compactación Dinámica. • Técnicas de vibrosustitución con gravas. • Inyecciones de impregnación, compactación, etc. • Técnicas de vibración por explosivos. de 1. Generalidades SUELOS ORGÁNICOS Y TURBAS CARÁCTERÍSTICAS Y ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN 1. Generalidades • Definición: Son suelos que debido a su gran compresibidad y bajo esfuerzo cortarte conduce a serios problemas de inestabilidad y asentamientos. • Características: - Altos contenidos de humedad. - Alta relación de vacíos. - Contenido de materia orgánica. 1. Generalidades Visual: • Color negruzco. • Alta plasticidad al tacto. • Olor fétido Laboratorio: • • • • Contenido de humedad Límites de consistencia. Cantidad de materia orgánica. Ensayos de consolidación. 1. Generalidades ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN Mezcla de suelos orgánicos con limos: incrementa el esfuerzo cortante y reduce las deformaciones volumétricas. Inyectar lechada a gran presión (CSM) 1. Generalidades SUELOS DISPERSIVOS CARACTERÍSTICAS Y MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN 1. Generalidades Definición Las arcillas dispersivas son aquellas que por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en los suelos, son susceptibles a la separación de las partículas individuales y a la posterior erosión a través de grietas en el suelo bajo la filtración de flujos. 1. Generalidades Características Estas arcillas erosionan rápidamente en presencia del agua cuando las fuerzas repulsivas que actúan entre las partículas de arcilla exceden a las fuerzas de atracción (Van der Waals) de tal forma que las partículas son progresivamente separadas desde la superficie entrando a una suspensión coloidal. Por esta razón estas arcillas son llamados arcillas “defloculadas”, “dispersivas” o “erodibles”. Son suelos altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos del flujo del agua, e incluso en algunos casos en agua en reposo. 1. Generalidades Métodos de Identificación Los suelos dispersivos no pueden ser identificados con una clasificación visual del suelo o con un índice de normas de laboratorio. Identificación “in situ”: 1. Generalidades EJEMPLO DE FALLA POR TUBIFICACIÓN EN UNA PRESA DEBIDO A LA PRESENCIA DE SUELOS DISPERSIVOS (SOIL CONSERVATION SERVICE OF NSW). 1. Generalidades EROSIÓN PROFUNDA DE TUBIFICACIÓN EN SUELOS DISPERSIVOS (SOIL CONSERVATION SERVICE OF NSW). 1. Generalidades ENSAYOS Químicos Proporción de Absorción de Sodio (SAR), y el Porcentaje Intercambiable de Sodio (ESP). Determinados por el análisis químico del agua de poros del suelo. Crumb Test (USBR 5400-89) Doble Hidrómetro (ASTM D 4221-90, USBR 5405-89) Pinhole Test (ASTM D 4647-93, USBR 5410-89) 1. Generalidades DENSIFICACIÓN DE SUELOS CARACTERÍSTICAS Y MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN 1. Generalidades • Definición: Este fenómeno se produce por efecto del reacomodo de las partículas de suelo, ocasionando de esta manera asentamientos en las estructuras. • Características de suelos densificables: – Suelo friccionante no cohesivo. – Baja compacidad. – Sin nivel freático cercano. – Suelos pobremente gradados. 1. Generalidades ASENTAMIENTOS PRODUCIDO POR DENSIFICACIÓN 1. Generalidades MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN • Ensayos de campo: – SPT, nos permite determinar si el suelo esta suelto, semicompacto o compacto. – Densidad natural “in situ” y densidad relativa. – Cono Peck. – Métodos geofísicos. – Con equipos de penetración ligera. 1. Generalidades MEJORAMIENTO DE SUELOS Compactación dinámica. Técnicas de vibroflotación. Técnicas de vibrosustitución con grava Inyecciones de impregnación, de compactación, etc. • Técnicas de vibración por medio de explosivos. • • • • 1. Generalidades LICUACIÓN DE SUELOS CARACTERÍSTICAS Y MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN 1. Generalidades ESFUERZOS TOTALES Y EFECTIVOS • Definición de esfuerzo efectivo : σ' = σ – pw • En terminos tensoriales: σ'ij = σij – pwδij • Nota: El agua no resiste esfuerzos de corte 1. Generalidades Licuefacción es definido como la transformación de un material granular desde un estado sólido a un estado licuado como una consecuencia del incremento de presiones de poros y reducción de los esfuerzos efectivos (Marcuson, 1978) 1. Generalidades Efectos de Licuación de Suelos después del sismo de Niigata en 1964 1. Generalidades Efectos de Licuación de Suelos después del sismo de Niigata en 1964 1. Generalidades FALLAS POR FLUJO: La resistencia del suelo se reduce por debajo del nivel necesario para mantener la estabilidad en condición estática, generalmente produce grandes desplazamientos. Se ha observado en presas, taludes y cimentaciones (Kramer, 1996). Diagrama de falla por flujo (Youd, 1992) 1. Generalidades Desplazamiento por flujo en la Presa San Fernando. Sismo de San Fernando en 1971 1. Generalidades DESPLAZAMIENTO LATERAL: Se caracteriza por un desplazamiento incremental durante el sismo. Dependiendo del número y magnitud de esfuerzos cíclicos que exceden la resistencia del suelo, puede ocasionar desplazamientos que van desde despreciables a muy grandes. Es común en puentes (Kramer, 1996). Diagrama de desplazamiento lateral (Youd, 1992) 1. Generalidades PÉRDIDA DE CAPACIDAD PORTANTE • Diagrama de una estructura inclinada como consecuencia de la perdida de capacidad portante. La licuación de suelos debilita el suelo reduciendo su capacidad de soporte ocasionando que las estructuras se asienten y hasta se inclinen (Youd, 1992) 1. Generalidades LICUEFACION EN TERRENO PLANO: No produce grandes desplazamientos y se caracteriza por la presencia de volcanes de arena producida por agua expulsada a la superficie. Produce subsidencia y asentamientos diferenciales (Kramer, 1996). Diagrama de oscilación por licuación. Las capas de suelo oscilan en modo diferente causando agrietamientos (Youd, 1992) 1. Generalidades Línea de volcanes de arena y fisuras en el terreno durante el sismo de Niigata en 1964 1. Generalidades Desplazamiento lateral del muro de contención durante el sismo de Kobe en 1995 1. Generalidades 1. Generalidades Consideraciones importantes Para ocurrencia de licuación se necesita simultáneamente: Las investigaciones recientes demuestran que los suelos finos bajo ciertas condiciones también son susceptibles al fenómeno de licuación El suelo debe ser arena fina, arena fina limosa y/o arcillosa, limo arenoso no plástico, o grava empaquetada con matriz de alguno o varios de los anteriores Debe estar bajo el nivel freático Su Dr debe ser baja a media 1. Generalidades Consideraciones importantes Una buena solución es implementar: Precargas, Drenes verticales, Columnas de grava Compactación dinámica Si se tiene suelos arenosos, la investigación geotécnica debe complementarse con SPT (o similares) 1. Generalidades Casa de concreto armado por asentamiento diferencial y desplazamiento lateral del suelo por licuación 1. Generalidades AMPLIFICACIÓN SÍSMICA 1. Generalidades Acelerógrafo Acelerógrafo SUELO ROCA 1. Generalidades PROPAGACIÓN DE ONDAS Y EFECTOS LOCALES DE SITIO TERREMOTO DE MÉXICO (1985). 1. Generalidades ALTERNATIVA: MEJORAMIENTO DEL SUELO 1. Generalidades Opciones de cimentación (Mitchell & Jardine, 2002) 1. Generalidades ALTERNATIVA: MEJORAMIENTO DEL SUELO CON INCLUSIONES SIN INCLUSIONES Jet-grouting Precarga Inyecciones Compactación dinámica Columnas de cal, cemento Vibro flotación Columnas de grava (stone columns) Explosivos Geotextiles Tratamientos térmicos 1. Generalidades Método de mejoramiento para diferentes tipos de suelos (Schaefer, 2012) 1. Generalidades Dependiendo de la granulometría del suelo elegimos el tipo de tratamiento.(vibroflotaciónvibrosustitución) 1. Generalidades Vibroflotación 1. Generalidades Vibrosustitución: columnas de gravas 1. Generalidades COLUMNAS DE GRAVAS OBJETIVOS 1. Reducción de asentamientos. 2. Aceleración del proceso de consolidación. 3. Aumento de la estabilidad frente a deslizamientos. 4. Reducción de la posibilidad de licuación del suelo. 1. Generalidades SUELO MEJORADO MEDIANTE JET GROUTING El Jet Grouting es una tecnología en la cual se produce una mejora de las características mecánicas del terreno mediante la inyección de alta presión de lechada de cemento. La estructura del terreno se rompe (erosiona) como consecuencia del impacto producido por el jet de fluido a alta presión. Finalmente las partículas del terreno se mezclan con el fluido de inyección para crear un terreno mejorado 1. Generalidades VISUALIZACIÓN DE LA ACCIÓN EROSIVA DEL JET GROUTING Foto Izq: Jet Grouting Foto Der: inyección de lechada 1. Generalidades TIPOS DE JET GROUTING MONOJET JET DOBLE CON AIRE JET TRIPLE 1. Generalidades 1. Generalidades COMPACTACIÓN DINÁMICA POR IMPACTO 1. Generalidades 1. Generalidades 1. Generalidades INYECCIONES 1. Generalidades TIPOS DE INYECCIONES I) IMPREGNACIÓN LA INYECCIÓN RELLENA LOS HUECOS SIN ALTERAR EL TERRRENO II) COMPACTACIÓN EL BULBO INYECTADO DESPLAZA EL TERRENO CIRCUNDANTE III) FACTURACIÓN LA INYECCIÓN ABRE Y RELLENA LAS FISURAS DESPLAZANDO EL TERRENO CONCLUSIONES 01 02 03 Para un correcto diseño de una cimentación se debe tener en cuenta de todos los posibles tipos de terrenos, muchos de los cuales poseen características especiales, planteando serios problemas y retos para la ingeniería. El estudio y conocimiento del comportamiento de los diferentes tipos de materiales se da, en la mayoría de casos, luego que se generan fallas o el colapso de las estructuras. La manifestación del comportamiento anómalo de los suelos está generalmente relacionada con algún fenómeno natural o con la actividad del hombre. Tener conocimiento de los diferentes tipos de tratamiento que puede realizarse al suelo puede brindarnos las herramientas adecuadas que optimicen el diseño de ingeniería de toda estructura. Referencias bibliográficas - Apuntes de clase de Mecánica de Suelos del Dr. Zenón Aguilar Apuntes de clase de Ingeniería Geotécnica del Dr. Alejo Sfrizo Apuntes del curso Cimentaciones Profundas – Colegio de Ingenieros ECOE Apuntes del curso Residencia de Obras de Ingeniería – Colegio de Ingenieros ECOE Bowles, J. E. (1997). Foundation Analysis and Design New York: Bowles, J. E.. Correlations of Soil and Rock Properties in Geotechnical Engineering. Ameratunga , Sivakungan & Das. Das, B. M. (2010). Principles of geotechnical engineering. (7th ed.). Mason, OH.: Cengage.. Lambe, T. W., & Whitman, R. V. (1969). Soil mechanics Estados Unidos: John Wiley. NTP E0.50 de Suelos y Cimentaciones
