mecanica de suelos
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Mecanica de SuelosTRANSCRIPT
DEPARTAMENTO
DE MECANICA
DE SUELOS
TITULO AUTOR EDITORIAL
INGENIERIA DE CIMENTACIONES RALPH B. PECK / WALTER E. HANSON / THOMAS H. THORNBURN LIMUSA
INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES B. SOWERS LIMUSA
PRINCIPIOS DE INGENIERIA DE CIMENTACIONES BRAJA M. DAS / 5TA EDICION CENGAGE LEARNIG
FUNDAMENTOS DE INGENIERIA GEOTECNICA BRAJA M. DAS CENGAGE LEARNIG
LA INGENIERA DE SUELOS EN LAS VIAS TERRESTRES RICO DEL CASTILLO / VOL. 1 LIMUSA
MECANICA DE SUELOS NORMA TECNICA E. 050 SUELOS Y CIMENTACIONES
T. WILLIAM LAMBE / ROBERT V. WHITMAN
LIMUSA
MECANICA DE SUELOS
BIBLIOGRAFIA
MECANICA DE SUELOS
INTRODUCCION:
1. Definición Existen varias definiciones. Para el Geólogo e Ingeniero Civil, Agrónomo, Geotécnico, según su origen y uso en las diferentes actividades tecnológicas así como su importancia y conocimiento de sus características, propiedades y parámetros sean requeridos.
Desde el punto de vista ingenieril se puede definir como una rama de la ingeniería moderna que estudia el suelo en base a investigaciones estadísticas correlacionado con soluciones analíticas.
2. Importancia de la Mecánica de Suelos en la
formación de Ingeniería Civil
Nueva orientación para reeducarse
Eleva el nivel técnico
Pone estrechamente en contacto con la naturaleza
Busca alternativa y solución a los problemas en
mecánica de suelos en cimentación, compactación,
estabilidad, así como casos especiales, etc.
MUNDIAL MEXICO PERU
PRECURSORES COLLIS CUEVAS JOSE MARIA
CORSO
LE ROUX
PADRES K. TERZAGHI N. CARRILLO --
ESTADO
ACTUAL
AVANZADO AVANZADO AVANZADO
PROYECCION REOLOGIA EXCELENTE MUY BUENA
3. Antecedentes de la Mecánica de Suelos
4. Objetivos de la Mecánica de Suelos Es el estudio de análisis y definición de los parámetros del suelo
en obras de Ingeniería Civil.
4.1 Métodos y Sistemas
Que conduzcan al mejor conocimiento de las propiedades
físicas, mecánicas y químicas, como apreciar el
comportamiento del suelo – estructura en los proyectos de
Ingeniera Civil y Minas.
4.2 Los estudios para conocer, analizar y determinar:
Parámetros, propiedades, etc., de las condiciones
estáticas y dinámicas del suelo.
Soluciones: teóricas – practicas, empíricas.
Modificaciones debido al tiempo, criterio reológico.
4.3 En los proyectos y construcción es necesario:
El conocimiento previo que reúne el terreno.
El nivel y tipo de obra a diseñar y construir.
Requiere:
• Teoría…….….. e investigación
• Practica ……… insitu, laboratorio
• Experiencia idónea, local, nacional e internacional
4.4 El estudio de la Mecánica de Suelos es muy sugestivo
Conduce a soluciones exactas y matemática de
problemas que en el pasado tenia soluciones empíricas.
En la actualidad está comprobado por los resultados
prácticos y basados en la teoría, experiencia, etc., que
requieren mucho más que el sentimiento del criterio para
decidir una solución y/o alternativa aceptable en
ingenieria.
5. Objetivos del curso
a) Conocer y hacer uso correcto de la terminología de la mecánica de suelos, exploración, muestras y métodos de ensayos.
b) Determinar las propiedades físicas de Ingeniería e índices de los suelos y algunos de los métodos de medición.
c) Clasificar los suelos en los suelos ampliamente utilizados y en términos de la formación geológica y propiedades índices.
d) Métodos para determinar la conveniencia y limitaciones de los suelos en diversos tipos de construcción.
e) Evaluación de la respuesta del suelo a los cambios de carga y humedad.
f) Efectos del agua sobre las propiedades de los suelos y movimiento de la misma a traves del suelo.
g) Método de la solución de ciertos problemas de mecánica de suelos en ingeniera practica.
h) Formar las bases de reflexión y de enfoque de los diferentes problemas existentes en los suelos peruanos.
i) Conseguir una experiencia tecnológica propia y adecuada que sea realista.
j) Con nuestras condiciones de los suelos existentes.
6. Problemas Fundamentales de la Mecánica de Suelos
En el caso de nuestros suelos del Perú, tenemos:
Asentamientos.
Deslizamientos,
7. Diferentes Tipos de Suelos que se Presentan en el Perú
En el Perú gozamos de una gran variedad de suelos con sus respectivos problemas, así tenemos: La arenas silicosas de Iquitos. Los suelos expansivos del norte, Piura, Talara. Los suelos colapsables de Bagua, San Martin. El conglomerado colapsable de Vitor, Arequipa, Lucana.
Las arenas eólicas de la costa La licuación en Chimbote, etc. Las arcillas tixotrópicas del oriente. Los suelos sulfatados, carbonatados, etc., de Piura, Huancayo. Los conglomerados de los valles de Lima, Cañete, etc.
Los suelos aluvionales con boleos hasta 70% dentro de suelos areno-limoso de las cuencas de Quiria, Corrales y Pedregal en Chosica, Yungay en Huaraz, San Martin de Pengoa en Junín.
Los suelos morrenicos en los Andes.
Suelos Expansivos
Fallas por expansión de suelos en el Centro de Salud de
San Antonio - Moquegua
Fallas por expansión de suelos en el Centro de Salud de
San Antonio - Moquegua
Fallas por expansión de suelos en el Centro de Salud de
San Antonio - Moquegua
DISTRIBUCIÓN DE LOS SUELOS
EXPANSIVOS EN EL PERU
• Región Norte y Nororiente
– Piura
– Paita
– Talara
– Chiclayo
– Iquitos
– Bagua
• Región Sur
– Moquegua
Suelos Colapsables
Vista de un Material
gravoso colapsable en la
Joya.
Deslizamiento producido por el colapso del material gravoso
en la Joya.
Canal de Irrigación La Cano, cruza suelos colapsables
protegido con geosintéticos.
Suelos Licuables
Licuación de suelos en Chimbote, Perú. Sismo de 1970.
Licuación de suelos en Asungue, Moyobamba. Sismo de 1990.
Licuación de suelos en Bellapampa, Arequipa.
Asentamiento de Suelos en Huánuco
Grietas
producidas
por los
Asentamientos
del Terreno
Asentamientos del Terreno
Asentamiento de Suelos en Huánuco
CAPITULO I
SUELOS: ORIGEN Y FORMACION MINERALES CONSTITUTIVOS
1. Constitución Interna del Globo Terrestre
1.1 Tierra
Edad Aproximada : 4.5 Billones de años.
Área Superficial : 804 millones de Km2
(70% cubierta de Océanos)
Volumen Aproximado : 1,024 Billones de Km3
Masa Aproximada : 6,500 Trillones de Tm
2. Constitución Interna
La estructura interna de la tierra se divide en capas o zonas concéntricas que son:
Núcleo.- formado por hierro y Níquel con un radio de 3,400 km.
Tiene una densidad media a superior al de las capas superficiales.
Hay estudios que nos señalan que carece de rigidez siendo juzgado como fluido, otro que posee alta rigidez, juzgado como sólido.
Es separado del manto por la discontinuidad de Gutemberg.
Manto.- es el que rodea al núcleo (magna) separado de la corteza por la discontinuidad de Mohorovicic.
Corteza Terrestre.- con un espesor de 30km – 40km. Su densidad es decreciente hacia la superficie
formada por silicatos.
Está constituido por masas heterogéneas con depresiones ocupadas por mares y océanos.
Se encuentran en un balance isostático (flotando sobre el magna terrestre más denso)
Supra yaciendo a la corteza terrestre existe una pequeña capa formada por la disgregación y descomposición de sus últimos niveles en el suelo.
Definición de Suelo
Existen diferentes definiciones según sea la profesión:
Agrónomo.- parte superficial de la corteza capaz
de sustentar vida vegetal.
Geólogo.- material intemperizado en el lugar y con
materia orgánica cerca de la superficie.
Ingeniero Civil.- agregado natural de partículas
minerales separables por medios mecánicos de
poca intensidad como agitación de agua.
También se define como todo material terroso desde
un relleno de desperdicio hasta arenisco
parcialmente cementada a lutitas suaves.
Quedan excluidos de la definición las rocas sanas
ígneas y metamórficas y los depósitos sedimentarios
altamente cementados que no se ablandan o
desintegran rápidamente por acción del
intemperismo.
En general un suelo es un conjunto con organización
definida y propiedades que varían vectorialmente.
Así tenemos que en la dirección vertical, el suelo
cambia más sus propiedades que en la horizontal, lo
cual hace posible que el suelo tenga un perfil
estratigráfico siendo este de abundante aplicación.
3. Agentes Generadores de Suelos
ROCAS.- Agregados o mezclas de uno o más minerales o componentes que varían notablemente en composición.
La naturaleza y propiedades de las rocas son determinadas por:
Los minerales que contienen.
La textura (arreglo relativo de los minerales).
De acuerdo a su manera de formación las rocas pueden ser:
Ígneas, formadas del magna, originada bajo la superficie que después han ascendido hacia la superficie y se han cristalizado como roca solida sea en la superficie o a profundidades dentro de la corteza terrestre.
Sedimentarias, formadas por acumulación y compactación de:
Fragmentos de rocas, pre-existentes que han sido desintegradas por erosión.
Desechos orgánicos tales como fragmentos de conchas o plantas
Materiales disueltos en aguas superficiales (ríos, océanos, etc.) o agua del subsuelo, precipitadas en condiciones de sobre saturación.
Metamórficas, formadas de rocas pre-existentes de cualquier tipo
que han sido sujetas a incrementos de temperaturas, presión o
ambos. Este cambio resulta en roca metamórfica siendo diferente
la roca original en apariencia, textura y composición
mineralógica.
La corteza terrestre consiste de aproximadamente 95% de roca
ígnea y 5% de roca metamórfica y sedimentaria.
De las rocas expuestas al intemperismo en la superficie 75% son
rocas sedimentarias y estas 22% son calizas y dolomitas.
Según las áreas que cubren las rocas más importantes son:
Lutitas 52%
Calizas y dolomitas 7%
Areniscas 15%
Granitos 15%
Basaltos 3 %
Otras rocas 8%
EL CICLO ROCA - SUELO
INTEMPERISMO.- también llamado meteorización, es una serie de procesos que ocasionan cambios físicos y/o químicos en
las rocas y sus minerales constituyentes, dando como
resultado una desintegración y/o descomposición paulatina
de estos, originando partículas de suelo de tamaño y
composición diferente.
Las partículas agentes de ataque son el aire y el agua,
pudiéndose agrupar todos los mecanismos de ataque en dos
grupos que son:
Intemperismo mecánico.- conocido como “desintegración”
por que actúan reduciendo las rocas a fragmentos cada
vez más pequeños sin que ocurra cambio alguno en la
composición química.
Los principales agentes físicos son:
Cambios periódicos de temperatura (exposición y
contracción térmica)
Acción de la congelación del agua en las juntas y
grietas de las rocas
Actividad orgánica (efecto de organismos, plantas)
Erosión por viento y lluvia
Abrasión
Desintegración por sales que cristalizan
Por estos agentes las rocas llegan a formar arenas o cuando mucho limos y solo en casos especiales arcillas.
Intemperismo químico.- llamado “descomposición” produce una modificación completa en las propiedades físicas y químicas de las rocas ocurriendo paralelamente un aumento en el volumen total de estos para la menor densidad de los nuevos compuestos y su mayor porosidad.
Incluye los siguientes procesos:
Oxidación y reducción
Hidratación
Carbonatación
Solución
Lixiviación
Hidrolisis (formación de Lones H)
Intercambio catrónico
Chelatión
Todos los agentes anteriores suelen actuar con los cambios de
temperatura.
Es frecuente encontrar formaciones arcillosas de importancia en
zonas húmedas y cálidas, mientras que en zonas más frías se dan
formaciones arenosas o limosas más gruesas.
En el desierto cálido por falta de agua la descomposición no
progresa predominando la arena sin embargo no debe
pensarse que las reglas sean inmutables.
Los suelos deben su formación a una variedad de causas que
excede todo poder de descripción detallada y ocurrida a través
de eras geológicas.
4. Suelos: residuales, transportados y artificiales
4.1 Suelos residuales
Formado por meteorización de la roca insitu con escaso o
nulo desplazamiento, generalmente están localizadas en
áreas tropicales.
Entre estos suelos tenemos:
Suelos Lateriticas.- la “laterización” es el proceso
mediante el cual produce la concentración de los óxidos de fierro o de aluminio, lixiviando o lavando la sílice. Los
minerales arcillosos o caolínicos son los productos finales,
pero en otros casos los minerales arcillosos no son estables.
Donde ocurre la descomposición de la arcilla, se separa
la sílice y el aluminio permanece en forma de hidrato “laterita”, es el nombre con que se denomina al suelo así
formado. Las lateritas son extremadamente duras cuando
están secas.
Suelos Seprolíticos.- encontrado en muchas áreas
montañosas, estos suelos retienen la estructura y
textura de la roca original en términos de
concentración de minerales y orientación de las
partículas.
4.2 Suelos Transportados
Cuando el suelo residual debido a agentes geológicos
son transportados en otra zona generando suelos que
sobre yacen sobre otros estratos sin relación directa.
Entre los agentes de transporte tenemos agua, aire,
hielo, gravedad y organismos vivos.
Según el agente tenemos:
a) Corrientes de agua.- ríos (aluviales) estuarios, deltas,
terrazas, fluviales, mares (marinos), playas, bancos,
lagos, depósitos lacustres.
b) Vientos (eólicos).- loes, dunas, médranos, cenizas
volcánicas.
Los vientos arrastran material de limo hasta arena gruesa. Pueden formar:
Loess.- Deposito eólico constituido por una mezcla
uniforme de arena fina cuarzosas, algo feldespáticos y
limos estructurados en forma abierta y algo cohesival debido a la presencia de carbonatos de calcio solubles
como un elemento cementante aunque investigaciones
indican que puede verse a la película de arcilla que
envuelve los granos depositados.
Médinos.- Aglomeración de arenas sueltas cuarzos con algo de mica arrastrada por el viento a poca altura y
detenida por algún obstáculo natural den la superficie
del terreno.
c) Hielo.- deposito glaciales o morrenas,
d) Gravedad (coloviales).- corrientes de fango.
Ejemplo:
El escurrimiento de agua en las laderas y la fuerza del campo
gravitacional forman los depósitos de talud de material suelto.
El escurrimiento de torrentes produce arrastre de materiales de
gran tamaño (mayor a velocidades crecientes de agua) que
se depositan en forma graduada a lo largo de su curso
correspondiendo los materiales más finos en las zonas planas
de los valles.
Los ríos acarrean material de diferentes tamaños y los
depositan según la velocidad. A menor velocidad (mayor
tamaño) en la desembocadura los finos (limos y arcillas).
Los depósitos lacustres son formados por suelo fino por la
poca velocidad de los lagos.
Los depósitos marinos son estratificados.
Los depósitos glaciales formados por grandes bloques o
material finamente granulado debido a la gran erosión
sufrida.
En general los suelos transportados quedan descritos por un perfil
estratigráfico que resulta la secuencia de colocación y de espesor de
sus estratos.
Existen dos conceptos que juegan un papel muy importante.
1. Perfil de Meteorización
Corresponde a la secuencia de materiales con diferentes
propiedades que se han formado en el lugar tanto por ataque
mecánico como por descomposición química.
2. Conjunto de estructuras heredadas
Consiste en diaclases exfoliaciones, juntas, grietas, fallas, y otros
defectos estructurales que muestra el suelo, como herencia de los
que tenía la roca original.
CAPITULO II
RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS EN LOS SUELOS
Principales fases de una masa de suelo
Vm : Volumen total de la muestra del suelo (volumen de la masa) Vs : Volumen de la fase solida de la muestra del suelo (volumen de solidos)
Vw : Volumen de la fase liquida contenida de la muestra del suelo
(volumen de agua)
Va : Volumen de la fase gaseosa de la muestra del suelo
(volumen de aire)
Vv : Volumen de los vacíos de la muestra del suelo (volumen de
vacíos)
Wm : Peso total de la muestra del suelo (peso de masa)
Ws : Peso de la fase solida de la muestra del suelo (peso de solidos)
Ww : Peso de la fase liquida de la muestra del suelo (peso del
agua)
Wa : Peso de la fase gaseosa de la muestra convencionalmente
considerada como nulo en Mecánica de Suelos.
Nota.-
1. En un suelo se presentan:
• Fase Sólida (ocupada por las partículas minerales de un suelo)
• Fase Líquida (ocupada por el agua, aunque puede existir otro
liquido de menor significación)
• Fase Gaseosa (ocupada por el aire u otros vapores sulfurosos,
anhídrido carbónico, etc.)
2. El volumen de vacíos esta ocupado por el agua y aire.
Vv = Vw + Va
3. Se dice que un suelo está saturado cuando el volumen de vacíos
esta ocupado por el agua.
Vv = Vw
4. Se dice que un suelo está seco cuando el volumen de vacíos esta
ocupado por el aire.
Vv = Va
5. En Mecánica de Suelos se dice que un suelo está seco cuando
es sometido a una temperatura de 105oC – 110ºC durante un
periodo de 18h – 24h.
Relaciones Fundamentales
1. Relaciones de Volumen
a) Relación de Vacíos
Es la relación entre el volumen de los vacíos (estén llenos o no de agua o aire) y el volumen de los sólidos de un suelo.
El valor de “e” suele variar teóricamente en el rango de 0 a .
Pero en la práctica su valor fluctúa entre 0.25 (arena muy compacta con finos) a 15 (arcillas altamente compresibles)
b) Porosidad
Es la relación entre el volumen del suelo y el volumen de la
masa del suelo.
Teóricamente varía entre 0 – 100%.
En la práctica entre 20 % - 95%.
c) Grado de Saturación del Agua
En la relación entre el volumen de los poros ocupados por el
agua y el volumen total de poros.
En un suelo saturado el Gw (%) = 100
En un suelo seco el Gw (%) = 0
d) Grado de Saturación del Aire
Es la relación entre el volumen ocupado por el aire y el
volumen de vacíos.
2. Relaciones de Peso
a) Contenido de Humedad
Se define como la relación entre el peso del agua contenido en el suelo y el peso del suelo seco y se expresa comúnmente en porcentaje
Varia teóricamente entre 0 a .
En la práctica varia en 0 a 1400%.
Ejemplo:
Arcillas japonesas 1200% - 1400% (excepcional)
En México en la región sur este los suelos presentan contenidos
de humedad de hasta 1000% y en el valle de 500% - 600%.
3. Relaciones entre Peso y Volumen
En mecánica de suelos se relaciona el peso y sus distintas fases con su volumen mediante el concepto de peso específico presentándose lo siguiente:
a) Peso Específico o Peso Unitario del agua destilada (0)
A 4oC de temperatura y a la precisión atmosférica correspondiente al nivel del mar. En sistemas derivadas al métrico es igual a 1 o una potencia entera de 10.
b) Peso específico del Agua o Peso Unitario (w)
Es la relación entre peso y volumen del agua
En las condiciones reales de trabajo, su valor difiere poco del 0 y
en casos prácticos son tomados como iguales.
En la mayoría de las formulas su valor es considerado como uno. Generalmente varía en función de la temperatura.
c) Peso Específico o Peso Unitario de la Masa del Suelo
Es la relación entre peso y volumen del suelo
d) Peso específico o Peso Unitario de la Fase Solida
Es la relación entre peso y volumen de solidos del suelo.
Pero la mayor parte de los materiales el s está comprendido
entre 2.6 y 2.8 gr/cm3, siendo generalmente 2.65 gr/cm3 en las
arenas y 2.7 gr/cm3 en las arcillas.
e) El Peso Específico Relativo
Se define como la relación entre el peso específico de una
sustancia y el peso específico del agua destilada
presentándose:
Peso Específico Relativo del Agua
Peso Especifico Relativo de la Masa del Suelo
Peso Específico Relativo de Solidos
4. Correlación entre la Relación de Vacíos y la Porosidad
5. Suelos Saturados
Asumo Vs = 1 Entonces tenemos:
6. Suelos Parcialmente Saturados
7. Suelo Seco
8. Suelos Sumergidos
Son aquellos que se encuentren por debajo del nivel freático y que sufren
el empuje hidrostático.
Se caracteriza por que su peso específico de masa se obtiene de la
diferencia del peso específico de la masa de un suelo saturado menos el
peso específico del agua destilada.
Reemplazando en la formula el peso específico de masa obtenido para un
suelo saturado se tiene:
Compacidad Relativa o Densidad Relativa del
Suelo
Se aplica a suelos granulares presentándose las siguientes
relaciones:
e max : Relación de vacíos máxima del suelo cuando esta suelto
e min : Relación de vacíos mínima del suelo cuando esta
compacto
e nat : Relación de vacíos natural del suelo insitu
Sabemos que:
Reemplazando se obtiene la siguiente relación:
Dr (%) Denominación
0 -15 Muy suelto
15 – 35 Suelta
35 – 65 Media
65 - 85 Compacta
85 - 100 Muy compacta
En función de los valores de densidad relativa obtenidos se tiene
las siguientes denominaciones: