DISEÑO DE MUROS DE SUELO REFORZADOS CON GEOSINTETICOS
COMPORTAMIENTO DEL SUELO
CONSOLIDACION DE SUELOS
NOTAS SOBRE LOS FUNDAMENTOS DE LA MÉCANICA DE SUELOS
DEFORMACIONES VOLUMÉTRICAS CON Y SIN COLAPSO DE ALGUNOS SUELOS NO SATURADOS
DICCIONARIO GEOTÉCNICO INGLÉS CASTELLANO DICTIONARY OF GEOTECHNICS ENGLISH SPANISH
LOS SUELOS
ACTUALIDAD DEL DISEÑO DE MUROS DE SUELO REFORZADO: ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE LA FHWA NHI-10-024, BS-8006 Y EBGEO 2010
GLOSARIO
Tomada de Gordon, J.E. ELASTICIDAD PARA INTRODUCCIÓN A LA ELASTICIDAD PARA SUELOS
PERMEABILIDAD A CARGA CONSTANTE
Esfuerzo y resistencia al cortante
SECCIÓN 100 - SUELOS
Comportamiento Tensión-Deformación del Loess del Centro de Argentina en Campo y Laboratorio: Influencia de los Parámetros Estructurales
MUROS DE CONTENCION DE SUELO REFORZADO CON GEOSINTENTICOS
lunes, 15 de diciembre de 2014
Principales Parámetros para Caracterizar la Deformación del Suelo
INTRODUCCIÓN
La mecánica de suelos se ocupa de investigar la
naturaleza y comportamiento de la masa del suelo, formada por la unión de
partículas dispersas de variadas dimensiones; la heterogénea variedad de los
suelos con composiciones aleatorias y diversas propiedades físico-naturales,
convierte a la mecánica de suelos en un estudio de fundamental importancia en
la ingeniería civil y en cualquier otra rama del conocimiento en la cual el
suelo este involucrado.
El suelo ha tenido una estrecha relación con la vida del hombre desde
los principios de la historia, pero su estudio adquirió mayor importancia a
principios del siglo XIX debido a las enormes dimensiones de las
construcciones y edificios de la época que demandaban un mayor conocimiento de
las propiedades y características del suelo, a fin de aprovechar mejor su
capacidad portante y controlar los asentamientos. La agudeza de investigadores
pioneros como CA. Coulomb en 1773 y a W.J. Rankine en 1885, y su empeño por
desarrollar técnicas y cálculos útiles para trabajar sobre la problemática que
involucra el comportamiento de los suelos, conforman los primeros pasos en la
génesis de este arte. Posteriormente, a comienzos del siglo XX se
intensificaron las investigaciones sobre el tema, y los trabajos de Kloger en Alemania,
Boussinesq en Francia y especialmente Karl Terzaghi en Alemania y los Estados
Unidos, abrieron nuevos horizontes en la materia, permitiendo su evolución y
perfeccionamiento. Así, la mecánica de suelos se ha transformado una la
herramienta esencial en el correcto diseño de las obras civiles y todo
tipo de estructuras resistentes.
OBJETIVO
Uso de herramientas investigativas, comparativas y
de comunicación en la Mecánica de Suelos
TEMA 1
PRINCIPALES PARÁMETROS PARA CARACTERIZAR LA
DEFORMACIÓN DEL SUELO
Deformación: Este concepto puede definirse como un cambio en el volumen o en la forma del
suelo producido por esfuerzos resultantes de la aplicación de cargas o por
cambios en su humedad.
En los suelos la relación
esfuerzo-deformación permite conocer su comportamiento; y de acuerdo a este,
definir su uso más adecuado considerando la necesidad que va suplirse.
Asimismo, con esta relación puede determinarse el asentamiento que una
estructura puede llegar a sufrir.
De otra parte, la relación
esfuerzo-deformación del suelo involucra:
-
Resistencia del material y posteriormente la
falla.
-
Deformabilidad del suelo.
Skempton, 1960: “Los esfuerzos en
cualquier punto de una sección de una masa de suelo pueden calcularse de los
esfuerzos principales totales
,
y
que actúan en este punto. Si los vacíos del suelo están llenos de agua
con un esfuerzo µ, los esfuerzos totales principales consisten de dos
partes. Una parte, µ, actúa en el agua y
en el sólido en todas las direcciones con igual intensidad. Se denomina presión de poros. La diferencia
;
y
; representa un exceso sobre la presión
de poros y ocurre exclusivamente en la fase sólida.
Esta fracción de los
esfuerzos totales principales, será llamada esfuerzos efectivos
principales… Un cambio en la presión de
poros no produce cambio de volumen y prácticamente no influencia los esfuerzos
en la falla… Los materiales porosos
(arena, arcilla y concreto) reacciona a un cambio u como si fueran
incompresibles y como si su fricción fuera igual a cero. Todos los efectos medibles de un cambio de
esfuerzo, tales como compresión, distorsión y un cambio de resistencia cortante
son exclusivamente debidos a cambios en los esfuerzos efectivos
.
Por lo tanto, cualquier investigación en la estabilidad de un cuerpo
saturado de suelos requiere el conocimiento de tanto el esfuerzo total como la
presión de poros”. Fuente: Therzaghi y
la Mecánica de Suelos- ALVA, Hurtado Jorge E.
FACTORES QUE AFECTAN LA DEFORMACIÓN DE UN SUELO
-
Composición:
-
Relación de vacíos (e):
La relación de vacíos da lugar al movimiento de partículas;
el cual depende del acomodo inicial de los granos. Por ejemplo; si el suelo es:
Compacto: Se
presentan mayores esfuerzos y por consiguiente mayores deformaciones,
atribuidas a un reacomodo de partículas; propenso al deslizamiento y el cual,
al alcanzar la resistencia máxima empieza a decrecer y las deformaciones a
incrementar.
Suelto: Genera
una falla tipo plástica en la cual el movimiento de partículas no es relevante.
De esta manera,
podría decirse que: > e > ɛ
De
acuerdo, a la investigación realizada por Marsal y sus colaboradores para el
proyecto de grandes presas; la relación de vacíos Vs. Esfuerzo está
condicionada por el origen del tipo de material que se tenga como se observa en
la siguiente figura:
Fuente: La
Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y
Aeropistas – RICO, Rodríguez Alfonso.
-
Permeabilidad: Capacidad de un suelo para
permitir el paso de una corriente de agua a través de su masa; además, esta
variable está ligada a la consolidación de los materiales.
Un suelo muy permeable tiene >
e > ɛ
> e = Flujo de agua más rápido
-
Historia anterior de esfuerzos aplicados al
suelo: Se relaciona directamente con la meteorización (Composición Geológica
del material); y de ella se desencadenan una serie de variables como la
sobreconsolidación, contenido de humedad, densidad; entre otras.
-
Aplicación de nuevos esfuerzos: Imposición de sobrecargas
al suelo.
TIPOS DE DEFORMACIÓN
-
Volumetrica: Se presentan cambios en el volumen y no en la
masa de suelo.
-
Distorsiva:
Se producen cambios de forma y volumen en la masa de suelo; también hay un
cambio en la posición relativa de partículas.
En el siguiente esquema puede apreciarse de
manera más ilustrativa los tipos de deformaciones que se pueden presentar y las
pruebas de ensayo que debe realizarse en cada caso con el fin de medir las
diferentes variables que intervienen en el proceso.
Fuente: La
Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y
Aeropistas – RICO, Rodríguez Alfonso.
PRUEBAS DE ENSAYO
PARA MEDIR LAS DEFORMACIONES
1- PERMEABILIDAD
1.1 – MEDICIÓN
DIRECTA:
1.1.1 – Permeámetro de cabeza constante: Se utiliza para arenas y
consiste en permitir el paso del agua a través de una muestra de suelo generando
una diferencia de niveles; entre la entrada y la salida del permeámetro.
El siguiente enlace presenta el
procedimiento de la prueba de permeabilidad a través del ensayo del cabeza
constante:
1.1.2 – Permeabilidad de cabeza variable: Maneja el mismo principio
del permeámetro de cabeza constante; sin embargo, esta prueba se realiza a
suelos finos los cuales por su alta permeabilidad hacen necesario el uso de un
piezómetro para que se visibilice el flujo de agua a través de la muestra.
Este es el esquema de la prueba
de ensayo:
Fuente: Notas Sobre los
Fundamentos de Mecánica de Suelos- ZEA,
Constantino Carmelino y RIVERA, Constantino Rigoberto.
En la parte superior se coloca un tubo (piezómetro) de
diámetro menor o igual al que lleva la muestra.
Durante la prueba hay un variación del
nivel de agua en el tubo (h1-h2) en un tiempo; con
estos datos y empleando la ecuación 1 se obtiene el coeficiente de
permeabillida (k).
1.1.3 – Prueba IN SITU: Para realizar esta prueba deben cumplirse unas condiciones, entre estas que el estrato de suelo este compuesto por arcilla. El ensayo en sí, consiste en excavar un pozo de bombeo hasta llegar al estrato permeable, luego se bombea el agua subterránea hasta alcanzar un gasto constante (q).
1.1.3 – Prueba IN SITU: Para realizar esta prueba deben cumplirse unas condiciones, entre estas que el estrato de suelo este compuesto por arcilla. El ensayo en sí, consiste en excavar un pozo de bombeo hasta llegar al estrato permeable, luego se bombea el agua subterránea hasta alcanzar un gasto constante (q).
Fuente: Notas Sobre los
Fundamentos de Mecánica de Suelos- ZEA,
Constantino Carmelino y RIVERA, Constantino Rigoberto.
1.2 – MEDICIÓN
INDIRECTA:
1.2.1
– Determinación de (k) a partir de la granulometría del suelo: A través del valor de diámetro efectivo (D10)
y utilizando las correlaciones establecidas por Allen Hazen, Schlichter y
Terzaghi.
Fuente: Notas Sobre los
Fundamentos de Mecánica de Suelos- ZEA,
Constantino Carmelino y RIVERA, Constantino Rigoberto.
Fuente: Notas Sobre los
Fundamentos de Mecánica de Suelos- ZEA,
Constantino Carmelino y RIVERA, Constantino Rigoberto.
1.2.2 – Determinación de (k) mediante la prueba
de consolidación: Utilizando
la gráfica de consolidación se ubica el 50% de la consolidación primaria d50;
seguido a esto se proyecta la deformación hasta que corte la curva de
consolidación, obteniendo el valor del t50.
Fuente: Notas Sobre los
Fundamentos de Mecánica de Suelos- ZEA,
Constantino Carmelino y RIVERA, Constantino Rigoberto.
Con este valor (t50) y empleando la fórmula 2
puede hallarse el coeficiente de permeabilidad (k):
Fuente: Notas Sobre los
Fundamentos de Mecánica de Suelos-ZEA,
Constantino Carmelino y RIVERA, Constantino Rigoberto.
2- DEFORMABILIDAD
2.1- Prueba de Compresión Hidrostática: Esta prueba permite
determinar deformaciones volumétricas.
Fuente:
Elaboración Propia.
2.2- Prueba de Compresión Confinada o Consolidación: A través de la
deformación axial puede hallarse la deformación volumétrica. En esta prueba sólo se produce deformaciones
verticales.
Fuente:
Elaboración Propia.
2.3- Prueba Triaxial: Se usa para conocer la resistencia del suelo
(qu); además es una prueba de ensayo con deformación controlada.
Fuente: Elaboración Propia.
En el ensayo triaxial se prueban
tres probetas del mismo suelo con diferente presión de confinamiento; por lo
general, la segunda es el doble de la primera y la tercera es el doble de la
segunda. El vástago ubicado en la parte
inferior siempre asciende a velocidad constante por lo que el cambio en la
fuerza depende directamente de la presión de confinamiento que se emplee; una
vez obtenidos los datos de fuerza y rango de deformación controlada se procede
a realizar los cálculos, iniciando con la deformaciones para la cual se emplea
la siguiente ecuación:
Donde;
Delta L: Rango de deformación
contralada.
L:
Altura
de la probeta.
Con las deformaciones
halladas puede realizarse la corrección al área de la muestra; utilizando la
expresión:
Una vez hechas estas
correcciones se calculan los esfuerzos para cada área hasta determinar el
esfuerzo de falla para cada una de las tres pruebas; finalmente, se realiza el
gráfico esfuerzo-deformación.
Fuente:
Elaboración Propia.
2.4- Prueba Directa de Resistencia a Cortante: Es utilizada para
conocer la resistencia al cortante de un suelo; y a su vez para hallar los
parámetros de resistencia del suelo, cohesión (C) y fricción (ɸ).
Fuente:
Elaboración Propia.
Este ensayo se desarrolla bajo
tres condiciones; y la escogencia de una de estas depende del grado de
rigurosidad que exija el estudio de suelo y del dinero que disponga el cliente
para realizarlo.
· NO CONSOLIDADO, NO DRENADO (UU): Es el ensayo
más sencillo, en el la muestra no se consolida y se corta rápidamente.
· CONSOLIDADO, NO DRENADO (CU): En él, la muestra
de suelo se consolida y se corta.
· CONSOLIDADO, DRENADO (CD): Este es el ensayo más
riguroso; la muestra de suelo se consolida y se drena hasta cortarse.
CURVAS TÍPICAS DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN
a- Material de Falla Frágil: Al alcanzar
un esfuerzo máximo de forma lineal, esta desciende al incrementar la
deformación.
Fuente: La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y Autopistas - RICO, Rodriguez Alfonso.
b- Material de Falla Plástica: Al llegar
al esfuerzo límite se genera la fluencia plástica bajo esfuerzos constantes de
magnitud igual al límite, deformándose con este esfuerzo.
Fuente: La
Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y
Aeropistas – RICO, Rodríguez Alfonso.
COMPORTAMIENTO COMPRESIBLE EN LOS SUELOS GRANULARES:
Los cambios de volumen o de forma
en este tipo de suelo obedecen a deformaciones propias
(distorsiones-ruptura-desmenuzamiento) de las partículas que lo componen y al movimiento
(deslizamiento-rodamientos) entre estas.
·
Compresibilidad en Compresión Isotrópica: A
pesar de que el esfuerzo cortante puede ser cero (0) en cualquier plano, siguen
actuando fuerzas de contacto de gran magnitud en los contactos individuales.
·
Compresibilidad en Compresión Confinada: En
estas condiciones los suelos pueden presentar gran compresibilidad, esto se
atribuye al fracturamiento y deslizamiento de partículas (producción de finos).
PRODUCCIÓN DE FINOS- DEPENDE DE:
> Granulometría
Uniforme > Peso Específico
> Angulosidad de las Partículas >
Compresibilidad
Presión Efectiva
Soltura del Material
·
Compresibilidad en Compresión Triaxial:
Según Lambe y Whitman pueden establecerse dos etapas:
1. Inicia el proceso de carga y se generan
pequeñas deformaciones que disminuyen el volumen de la muestra. Esto se atribuye a la adopción, por parte de
las partículas de estructuras más compactas.
2.
Se produce la falla al alcanzar el esfuerzo
máximo; en caso de ser una falla frágil podrían seguirse presentando
deformaciones verticales siempre y cuando se genere un movimiento lateral en
las partículas del suelo, lo que conlleva
un incremento en el volumen de la muestra (Dilatancia).
En general en los materiales
granulares la ruptura de las partículas es la que ocasiona la deformación
total; y a su vez genere variaciones en la granulometría y en las propiedades
mecánicas iniciales.
Por ejemplo; Marsal y sus
colaboradores para el proyecto de grandes presas; estudiaron tres tipos de
materiales diferentes, una de sus conclusiones se refiere a que la
granulometría del material incide de forma directa en la rotura de partículas y
posteriormente en su relación esfuerzo – deformación; tal como se muestra en la
imagen.
Fuente: La
Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres Carreteras, Ferrocarriles y
Aeropistas – RICO, Rodríguez Alfonso.
En otras palabras, esto puede
entenderse como a mayor uniformidad granulométrica inicial se produce una mayor
rotura de grano.
COMPORTAMIENTO COMPRESIBLE EN LOS SUELOS COHESIVOS (ARCILLAS-LIMOS
PLÁSTICOS):
A. Consolidación: Es el proceso de reducción
de volumen de un suelo por la acción de cargas a través de un tiempo
determinado.
http://icc.ucv.cl:8080/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/consolidacion/consolidacion.htm
De acuerdo a
Lambe: “Las sobrepresiones intersticiales producidas en un proceso de cargas
sin drenaje que es aquél en que la variación de la carga o de las condiciones
de contorno se produce en un tiempo muy pequeño respecto al necesario para
disipación de las sobrepresiones intersticiales. En cuanto se termina la aplicación de la
carga, el agua comienza a fluir debido al gradiente producido por las
sobrepresiones intersticiales, variando el volumen del suelo. Si las sobrepresiones intersticiales son
positivas de forma que el suelo tiende a disminuir de volumen, el proceso de
denomina consolidación. Si las sobrepresiones son negativas, por lo
cual el suelo tiende a aumentar de volumen, el proceso se denomina expansión.
|
Estas pruebas posibilitan el
cálculo de la magnitud y de la velocidad de los asentamientos.
|
2- Consolidación
Unidimensional.
Es importante
mencionar que en laboratorio la consolidación se produce en un tiempo más corto
que en la naturaleza; por ello, es frecuente que los asentamiento que se
determinados con los resultados obtenidos de los ensayos sean superiores a los
reales.
ENSAYO DE
CONSOLIDACIÓN: https://www.youtube.com/watch?v=3bvevFBNYw0
A. ASENTAMIENTOS Y EXPANSIONES
Se refiere a las compresiones provocadas a los
estratos del suelo por sobrecargas o cargas propias, estas se atribuyen a la
deformación y al reacomodo de las partículas del suelo;
además, a la expulsión de agua o aire de los espacios vacío. En el caso particular de los asentamientos se
establecen tres clases:
1- Asentamiento
Primario: Es provocado por la deformación elástica del suelo en cualquiera de
sus estados; sin generar cambios en el contenido de agua.
2- Asentamiento
por Consolidación Primaria: En suelos cohesivos saturados la expulsión del agua
que ocupa los espacios vacíos conlleva a una variación en su volumen.
3- Asentamiento
por Consolidación Secundaria: Obedece a un ajuste plástico de la estructura del
suelo.
Para ampliar
el tema se recomienda consultar: http://rodas.us.es/file/5977bf93-9ec4-d43e-fcdf-b3767e5c835a/1/tema5_SCORM.zip/page_01.htm
B. CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA
FUENTE: Elaboración Propia.
FUENTE: Elaboración Propia.
La
consolidación secundaria inicia en la etapa final de la consolidación primaria
cuando la mayoría de la presión exterior ha sido trasmitida a las partículas
(presión efectiva) generándose la totalidad de la deformación volumétrica.
Braja en su libro de Fundamentos
de Ingeniería Geotécnica, indica
Asentamiento por consolidación secundaria: Se observa en suelos
saturados cohesivos y es el resultado del ajuste plástico de la estructura del
suelo. Éste sigue al asentamiento por
consolidación primaria bajo un esfuerzo efectivo constante.
Lo primero que debe hacerse
para hallar la consolidación secundaria de un suelo es tomar los valores de
relación de vacíos contra el logaritmo del tiempo en un incremento dado de
carga.
Fuente: Fundamentos de
Ingeniería Geotécnica- BRAJA, M Das-.
Utilizando
los valores tomados del gráfico anterior y manejando la siguiente ecuación se
encuentra el coeficiente de compresión secundaria.
CONSULTAR:
Para terminar, los suelos no son
homogéneos, isótropos y mucho menos linealmente elásticos; por esto, al tomar
herramientas como el Modulo de Young y la Relación de Poisson se obtienen
valores que no son constantes del suelo, sino cantidades que en el mejor de los
casos, describen aproximadamente el comportamiento del suelo para un estado de
esfuerzos dados.
Sin embargo, estas cantidades
pueden utilizarse como herramientas comparativas en el ejercicio geotécnico
VER: MODULO DE YOUNG Y RELACION DE POISSON (Archivo)
A continuación, se presentan
algunos valores del Módulo de Young y de la Relación de Poisson combinados otras variables propias del suelo,
los cuales se encuentran establecidos en la literatura:
Fuente: http://clasificacionmuestrasopetran.blogspot.com/
TEMA 2
CIRCULO DE MOHR
ECUACIONES GENERALES PARA LA TRANSFORMACIÓN DE ESFUERZOS
CONSTRUCCIÓN GRAFICA DEL CIRCULO DE MOHR
EJERCICIO APLICACIÓN MÉTODO GRAFICO
ENSAYO DE CORTE DIRECTO CONSOLIDADO – DRENADO Y CIRCULO DE MOHR
EJERCICIO DE APLICACIÓN CÍRCULO DE MOHR PARA EL ANÁLISIS DE
RESULTADOS ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ENSAYO DE COMPRESIÓN NO
CONFINADA Y EL CÍRCULO DE MHOR
EXPRESIONES CUALITATIVAS Y CUANTITATIVAS DE LA CONSISTENCIA EN
ARCILLAS
ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL
ESFUERZOS Y PRESIONES EN EL SUELO Y EL CÍRCULO DE MORH
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
TEMA 2
CÍRCULO DE MOHR Y TEORÍA (CRITERIO)
MOHR-COULOMB
INTRODUCCIÓN
El estudio del circulo de Mohr y su aplicación en la mecánica de suelos es de suma importancia, ya que nos ayuda a entender el comportamiento del suelo cuando esta sometido a cargas externas generadas por la infraestructura física en general; como son colegios, hospitales, plantas de generación de energía, y obras de arte viales entre otros.
La
aplicación del círculo de Mohr en la mecánica de suelos remonta al año de 1773,
cuando Charles Auguste Coulomb hace un primer acercamiento para predecir el
comportamiento del suelo, para determinar su resistencia al corte.
S = C + s Tan ф ( E.C.1)
Ecuación que se conoce como ley de
Coulomb, donde C describe el comportamiento plástico del suelo y ф determina la
distorsión y fractura de las partículas, ecuación que sirvió de base para
determinar en su época la capacidad portante del suelo en lo referente a la
construcción de terraplenes y presa de tierra.
Al principio del siglo XX 1925 Terzaghi
determino que la presión efectiva no es total, sino intergranular y la ecuación
toma la siguiente forma:
S = C + (s+u) Tan ф ( E.C.2)
Ecuación muy usada hoy en día por los Ingenieros de Suelos y profesionales
afines para determinar la resistencia de cortante en el suelo, donde u
representa la presión intersticial provocada por el agua. Años después Hvorslev
determino que el valor de la cohesión de las arcillas saturadas no era una
constante y que era función del
contenido de humedad w, y la contante C, se transformo en f (w).
El entendimiento de estas leyes es de suma
importancia en la aplicación de la mecánica de suelos, en el análisis de
resultados de los ensayos de resistencia
a compresión simple, ensayo de corte directo y ensayo triaxial a través de la
teoría del círculo de Mohr. Resultados que serán la herramienta para el
ingeniero de geotecnia, en el diseño de cimentaciones superficiales y
profundas, análisis de terraplenes en vías, construcción de rellenos
sanitarios y determinación de empujes
del suelo. De tal modo que el ingeniero de suelos este en capacidad de aplicar los fundamentos del círculo de esfuerzos de
Mohr, en la mecánica de suelos y en las soluciones de diseño Ingenieril en la
geotecnia a la luz de la NSR-10, y Evaluar
la resistencia a corte del suelo, en el diseño de la
infraestructura física y de la infraestructura vial.
Para la construcción del documento se
recopilo información de las teorías que rigen
el comportamiento del suelo a la resistencia al corte como son: El método
de la resistencia esfuerzo de corte presentada por Coulomb, ecuación de la
resistencia al corte de Coulomb – Hvorslev, Representación con círculos de Mohr
de los cambios de esfuerzos en el suelo, y como resultado final además de la
herramienta planteada en este documento Círculo de Mohr, se tratara mediante
correlación según el análisis granulométrico y la importancia de la solución
Ingenieril, aproximar el ensayo más apropiado para determinar la capacidad
portante del suelo.
Por lo antes expuesto se concluye que el
Circulo de Mohr en la mecánica de suelos es una herramienta útil para el
análisis de resultados de laboratorio y en la toma de decisión en cuanto a
predecir el mejor comportamiento del suelo a través del tiempo cuando éste esta
sometido a cargas externas.
CIRCULO DE MOHR
El círculo de Mohr soluciona el problema
de transformación de esfuerzos en un plano determinado. Por consiguiente el
problema fundamental es el conocer el estado de un esfuerzo en un punto para un
plano determinado de espécimen de suelo, de acuerdo a lo anterior el estado de
esfuerzos en el suelo con otra orientación dada (plano de falla donde se
producen los esfuerzos máximos), esta representado únicamente por dos
componentes de esfuerzos normal y una componente de esfuerzo cortante que
actúan sobre el suelo en la orientación determinada, esfuerzos que se obtienen aplicando la representación
grafica del círculo de Mohr.
ECUACIONES GENERALES PARA LA TRANSFORMACIÓN DE ESFUERZOS
El círculo de Mohr y la ley de Coulomb
para determinar los parámetros fundamentales del suelo cohesión y fricción,
permiten obtener los esfuerzos normales y cortantes del suelo en un plano
determinado. Además con el círculo de Mohr podemos encontrar la relación entre
el ángulo de fricción y el plano de falla, la representación del plano de falla
en suelos no cohesivos, la teoría de falla en suelos cohesivos, los esfuerzos
normales y cortantes a partir del ensayo de corte directo, el calculo de
empujes activos y pasivos sobre un muro de contención entre otros.
Las ecuaciones fundamentales para calcular
el esfuerzo normal s y el esfuerzo cortante t en un plano definido esta dado por:
s
= (sx
+ sy)/2
+ (sx
- sy)
x cos2α/2 y t = (sx + sy) x sen2α/2
Donde,
α: Plano de orientación
donde se desea conocer el esfuerzo normal s y el esfuerzo cortante t.
sx: Componente del esfuerzo normal en e eje X.
sy: Componente del esfuerzo normal en el eje Y.
sx: Componente del esfuerzo normal en e eje X.
sy: Componente del esfuerzo normal en el eje Y.
CONSTRUCCIÓN GRAFICA DEL CIRCULO DE MOHR
Para la construcción gráfica del círculo
de Mohr en primer lugar ubicamos las coordenadas de los esfuerzos normales y esfuerzos
cortantes en el plano cartesiano. X,
representa las abscisas esfuerzos
normales s, Y,
representa las ordenadas esfuerzo cortante t; luego se define la convención
de los signos en el sentido que los suelos están sometidos a esfuerzos de compresión,
los esfuerzos normales s a compresión se consideran positivos (+), y
los esfuerzos cortante t en la dirección antihoraria se consideran igualmente positivos (+).
A continuación se describe
el paso a paso para la construcción grafica del circulo de MOHR, el método es
interesante cuando se aplica utilizando herramientas modernas como el
AutoCAD. Los implementos a utilizar son lápiz de
punta fina, borrador, papel milimetrado, compas de precisión, transportador y
regla escala.
El procedimiento para
obtener por el método grafico el esfuerzo normal y cortante que actúa sobre un
plano es el siguiente:
1° Definir una
escala apropiada para la representación grafica de los esfuerzos, por ejemplo:1
cm igual a 1 MPA.
2° Sobre el
papel milimetrado y de acuerdo a la escala definida, ubicar el plano cartesiano según lo antes expuesto.
3° Sobre el eje
de las X, ubicamos las coordenadas del centro del círculo que corresponde al
esfuerzo promedio, sp.
4° Trazamos el
circulo con centro sp y radio sp.sx
5° Con el
transportador ubicamos el plano de interés en el centro del círculo de Mohr que
equivale a 2 α.
6° Trazamos el
plano de interés interceptando el centro del círculo y la circunferencia por
los punto A y B tal como lo indica la figura 4.
7° Con la
escala, desde los ejes de coordenadas X y Y medimos las distancia al punto A y
B.
La distancia horizontal en
centímetros a los puntos Ay B, multiplicada por el esfuerzo equivalente,
corresponde al esfuerzo normal máximo y mínimo respectivamente en el plano en
estudio; de igual manera la distancia vertical en centímetros a los puntos A y
B multiplicado por el esfuerzo equivalente corresponde al esfuerzo cortante
máximo y mínimo en el plano correspondiente.
A continuación
desarrollamos el paso a paso con un ejercicio de aplicación.
EJERCICIO APLICACIÓN MÉTODO GRAFICO
Determinar por el método
grafico el esfuerzo normal y cortante, que actúa sobre el plano de 30 grados
sobre la horizontal, indicado en la figura.
Figura 1
PASO 1: DEFINICIÓN DE
ESCALA Y LOS EJES DE COORDENADAS
Para el desarrollo del
ejercicio se utiliza una escala 1:50, un cm en la escala equivale a un esfuerzo
de 1 Mpa.
Figura 2
Abscisas esfuerzos normales
s,
ordenadas esfuerzos cortantes t.
PASO 2: UBICACIÓN DEL
CENTRO DEL CÍRCULO Y SU TRAZO
El cálculo de esfuerzo
promedio
y el valor del esfuerzo en
el eje x corresponde al valor indicado en la figura 1 de 4 Mpa.
Figura 3
PASO 3: UBICACIÓN DEL PLANO
DE INTERES EN EL CIRCULO DE MOHR DONDE DESEAMOS OBTENER LOS ESFURZOS NORMALES Y
ESFUERZOS CORTANTES.
El plano en el círculo de
Mohr toma un valor de 2 α, que para el caso en estudio 2 x 30 equivalente a 60
grados.
Figura 4
PASO 4: DETERMINACIÓN DE
LOS VALORES DE LOS ESFUERZOS NORMALES A Y ESFUERZO NORMAL B.
La distancia horizontal en
centímetros a los puntos A y B, multiplicada por el esfuerzo equivalente,
corresponde al esfuerzo normal máximo y mínimo respectivamente en el plano en
estudio.
Figura 5
La figura 5 indica que el esfuerzo normal A tiene un valor de 3.5 Mpa, de la misma manera se calcula el esfuerzo cortante en A, tA.
Figura 6
La figura 6 indica que el
esfuerzo normal sB tiene un valor de 2.5 Mpa, de la misma manera se calcula
el esfuerzo cortante en B, tB.
ENSAYO DE CORTE DIRECTO CONSOLIDADO – DRENADO Y CIRCULO DE MOHR
Diagrama de arreglo para la prueba de corte directo tomado del libro de BRAJA M.DAS
La resistencia de corte directo
consolidado drenado se determina por la Ley de Coulomb 1773, la cual fue
modificada siglo y medio después en 1925 por Terzaghi teniendo en cuenta el
esfuerzo efectivo normal en la dirección para la cual se considera la
resistencia a corte modelo que se representa en la ecuación 2 de este
documento. Según Victoria Elena Mesa Ochoa en la Guía de Laboratorio de
Mecánica de Suelos (2013) pagina 113, 
Envolvente de falla y círculo de Mohr tomado del libro de
BRAJA M.DAS
EJERCICIO DE APLICACIÓN CÍRCULO DE MOHR PARA EL ANÁLISIS DE
RESULTADOS ENSAYO DE CORTE DIRECTO
En el laboratorio se probo una muestra de
arena seca con el ensayo de corte directo bajo un presión vertical de 7.45 T/M2
en el plano horizontal de corte, la falla ocurrió a un esfuerzo cortante de 5.1
T/M2, el ángulo de fricción interna de
la arena.
Figura 8
Figura 9
Figura 10
Figura 11
Figura 12
Figura 13
Figura 14
Para resolver el problema
se tienen dos puntos de recta correspondiente al origen plano cartesiano (0,0), y el punto obtenido
por el ensayo de corte directo (7.45, 5.1).
m = y/x = 5.1 /7.45 = 0.68,
como m = TAN ф’, Despejando ф’ = TAN-1 (t/s’).
ENSAYO DE COMPRESIÓN NO
CONFINADA Y EL CÍRCULO DE MHOR
El ensayo de compresión no confinada se
desarrolla en un equipo de compresión simple que consta de un anillo de carga,
indicador de deformación de anillo de carga, indicador de deformación del
espécimen del suelo, y manivela para aplicar la carga.
Aparato para el ensayo de compresión simple.
EXPRESIONES CUALITATIVAS Y CUANTITATIVAS DE LA CONSISTENCIA EN
ARCILLAS
CONSISTENCIA
|
IDENTIFICACIÓN DE CAMPO
|
RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE qu (kg/cm2)
|
Muy blanda
|
El puño puede penetrar en ella fácilmente varios
centímetros.
|
Menos de 0.25
|
Blanda
|
El pulgar puede penetrar en ella fácilmente varios
centímetros.
|
0.25 a .50
|
Media
|
El pulgar con esfuerzo moderado puede penetrar en ella
varios centímetros.
|
0.50 a 1.0
|
Firme
|
El pulgar se encaja fácilmente pero sólo penetra con gran
esfuerzo.
|
1.00 a 2.0
|
Muy firme
|
La uña y del pulgar se encaja fácilmente.
|
2.00 a 4.0
|
Dura
|
La uña del pulgar se encaja con seguridad.
|
Mayor a 4
|
Tabla 1
CÍRCULO DE MOHR PARA LA PRUEBA DE COMPRESIÓN NO CONFINADA
El círculo de Mohr para un
ensayo de compresión no confinada, se toma s1 = qu como el máximo esfuerzo a compresión, ф = 0 y s3
=0.
Utilizando el método
grafico en la figura 15, se evidencia que dos veces el radio del círculo
equivale a qu, de tal modo que Cu = R, de donde podemos concluir que Cu = qu/2.
El valor de t
= Cu se obtiene remplazando el valor de ф’ = 0 en la ley de Coulomb modificada t = Cu +s’ TANG ф’, del mismo podemos determinar el plano de falla
que para la condición ф = 0, el
ángulo del plano de falla es: 2 α = 90 + ф’, donde α = 45 grados.
Remplazando en la expresión
para obtener e esfuerzo cortante t,
en el círculo de Mohr.
t
= (s1
+ s3)
x sen2α/2
t = (qu-0) x seno (90)/2 y remplazando t por CU, y podemos concluir que la resistencia a corte de
arcillas saturadas bajo la condición ф = o, t = Cu = qu/2.
Es conveniente dejar claro que en toda la
bibliografía revisada, el ensayo de compresión no confinada se utiliza para
determinar la consistencia del suelo, una manera de obtener una estimación aproximada
de resistencia a corte de la arcilla saturada,
cuando no se dispone de recursos, es aplicar los criterios de la tabla 1 en el
terreno, y haciendo correlaciones con el índice de plasticidad.
Finalmente se muestran fallas
características de compresión simple como son: Plano inclinado común en
arcillas duras, abombamiento en arcillas blandas, en forma de cono en limos
arenosos, desmoronamiento en materiales arenosos.
Tomado del manual de laboratorio de mecánica de suelos.
ENSAYO TRIAXIAL Y EL CÍRCULO DE MHOR
COMPORTAMIENTO DEL SUELO GRANULAR BAJO CARGAS EXTERNAS
Los ensayos explorados hasta el momento,
ensayo de corte directo y compresión no confinada, no representan de manera
total, la idealización de un suelo en condiciones reales cuando esta sometida a
cargas externas, como por ejemplo el que trasmite una zapata a al superficie
del suelos debido al peso de la estructura que soporta.
Como profesionales de la geotecnia debemos
tener presente que cuando los suelos están sometidas a carga externas presentan
asentamientos diferenciales, que se manifiestan por perdida de la verticalidad
de la edificación, fisuras en elementos no estructurales afectando los
acabados, fisuras en elementos estructurales produciendo fallas repentinas y colapso de la estructura.
Figura 16
Para prevenir en parte el proceso de
asentamientos diferenciales es necesario entender el comportamiento de los
suelos granulares sueltos de baja
compacidad y los suelos granulares densos de alta compacidad cuando están
sometidos a cargas externas. Para ello haremos uso del ensayo triaxial y
círculo de esfuerzos de Mohr.
Figura 17
En las figuras 16 y 17 tomadas del libro
de Braja M.Das (2004) se evidencia el
comportamiento de una arena suelta o de baja compacidad, que al aplicarle un
esfuerzo cortante t, figura 17 el
espécimen disminuye su volumen, este proceso se debe al reacomodo gradual de
las partículas de arena y su resistencia final a corte, resulta de la
distorsión que esta asociada al deslizamientos entre granos.
Caso contrario sucede con las arenas
densas los cuales tienen menor holgura a comprimir, mecanismo que se muestra en
la figura 14, que al aplicarle un esfuerzo cortante t, en un principio se evidencia disminución de volumen del
espécimen de suelo, y cuando éste empieza a alcanzar su resistencia máxima a
cortante, el suelo empieza a expandirse hasta llegar a la rotura.
Por lo arriba mencionado podemos concluir
que la arena suelta sometidas a esfuerzos cortantes tienden a disminuir su
volumen y en las arenas densas sucede el caso contrario tienden a expandirse, proceso
que se presenta de igual manera en arcillas blandas y en las arcillas duras,
por mecanismo completamente diferentes presentados en los suelos granulares.
ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL
El ensayo de compresión triaxial es definido por Fabián Hoyos Patiño en su
libro Geotecnia Diccionario Básico (2001) como:
“Prueba
de laboratorio en la que una muestra de suelo es sometida simultáneamente a un
esfuerzo de confinamiento, o esfuerzo principal menor,s3, y a
un esfuerzo de compresión, o esfuerzo principal mayor s1,
hasta hacer que la muestra de suelo se rompa o se deforme más allá del límite
preestablecido. A partir de los resultados de este ensayo pueden obtenerse los parámetros
de resistencia a corte, cohesión, y ángulo de fricción interna del suelo
(Normas ASTMD2850 y D4767)”
Figura 18
La figura 18 tomada del libro de Braja M.Das (2004) presenta el círculo de
esfuerzos de Mohr y la envolvente de falla para suelos granulares. En cuanto a
la envolvente de falla definida arriba, si la línea es ligeramente curva se
puede concluir que el suelo es de baja compacidad y si la curva presenta una pendiente
fuerte se puede considerar un suelo granular denso o compacto.
A continuación por el
método grafico explicado en este documento, determinaremos el ángulo de fricción
ф, y el ángulo del plano de falla obtenidos en una prueba en un ensayo
triaxial.
PRUEBA
|
s1 (KN/M2)
|
s3 (KN/M2)
|
1
|
6
|
1
|
2
|
12
|
2
|
3
|
24
|
4
|
4
|
48
|
8
|
Figura 19
Para la elaboración de los
círculos de esfuerzos de Mohr y el trazo de la línea de rotura, se aplicaron
los conceptos desarrollados a través de este documento:
Primero se trazo el círculo
de Mohr correspondiente a la prueba 1 hasta dibujar el círculo correspondiente
a la prueba numero 4, luego trazamos la línea envolvente de falla tangente a
cada una de las circunferencias y con el transportador medimos el ángulo de
fricción del suelo 46 grados, y el plano de falla del espécimen de suelo α =
136 grados. El procedimiento se puede realizar analíticamente con las
ecuaciones que representan e círculo de Mohr. Determinando el ángulo de
fricción para cada una de las pruebas, para luego determinar el ángulo de
fricción promedio y obtener el plano de falla con la expresión α = 45 + ф/2.
ESFUERZOS Y PRESIONES EN EL SUELO Y EL CÍRCULO DE MORH
De la misma manera que el agua, el suelo
sobre un deposito produce un esfuerzo vertical, sv, el esfuerzo vertical
esta dado por sv = g h, donde g es la densidad del material y h es la altura de esfuerzos
en la pared de excavación.
Aplicando los conceptos de la estática o
mecánica de reposo, podemos intuir una condición de equilibrio entre esfuerzos verticales y esfuerzos
horizontales, el equilibrio es producido por la condiciones en el sitio.
La relación entre esfuerzo horizontal y
esfuerzo vertical es una constante que se va denominar Kp en el círculo de esfuerzos presión pasiva,
Definiendo Ko la condición de estados de esfuerzos de equilibrio producido por
la condición del suelo.
Según la teoría de Rankine para suelos
granular y superficie horizontal, el coeficiente de empuje pasivo esta dado por Kp = TAN2 (45 + ф/2)
y el coeficiente de empuje activo Ka = TAN2 (45 – ф/2), en igual sentido se puede afirmar que el
coeficiente de empuje activo es el inverso del coeficiente de empuje pasivo.
Ka = 1/Kp
A continuación en un muro
de contención vertical con relleno horizontal granular de una altura de 4
metros, con densidad específica del material de 16.5 KN/M3, ф = 35 grados, ¿Encontrar los
coeficientes de empuje pasivo y empuje pasivo según la teoría de Rankine?
Para la solución del
ejercicio primero aplicaremos los conceptos del círculo de Mohr y luego
aplicamos las ecuaciones analíticas vistas en el párrafo anterior.
Figura 20
1° Definir el
plano cartesiano y una escala apropiada para la construcción del círculo de
esfuerzos de Mohr. La escala numérica escogida 1:100, cada centímetro medido en la escala
equivale a un esfuerzo de 10 KN/M2.
2° Dibujamos la
línea envolvente de falla desde el origen del plano cartesiano y con un ángulo
sobre la horizontal ф = 35 grados.
3° Calculamos
el esfuerzo vertical, sv = 4 x 16.5 = 66 KN/M2 y valor que se
localiza en el eje X, con la escala definida atrás.
4° Utilizando
el compas localizamos el centro de la circunferencia, cuyo radio debe
intersectar tangencialmente con la curva envolvente de falla.
Localizado el centro del
círculo de esfuerzos de Mohr, obtenemos el esfuerzo horizontal σh = 24.5 cm x
10 KN/M2 = 245 KN/M2. (Figura 21).
Figura 21
Finalmente calculamos Kp = sh/sv
= 245/66 = 3.71 y Ka = 1 /3.71 = 0,27
A continuación resolvemos
el ejercicio de manera analítica según
la teoría de Rankine.
Kp = TAN2 (45 + ф/2)
= TAN2 (45 + 35/2) = 3.69
Ka = TAN2 (45 -
ф/2) = TAN2 (45 - 35/2) = 0.27.
Se puede concluir que el
método grafico desarrollado a lo largo de este documento, es una herramienta
útil que sirve de comparativo con la utilización de métodos analíticos.
CONCLUSIONES
1. El ensayo de
compresión simple es un caso particular de la prueba triaxial no consolidada no
drenada, donde la envolvente de falla es una línea paralela al eje X, tangente
al círculo de esfuerzos de Mohr, llamada
condición ф = 0 y t = qu/2 condición no drenada. Ensayo muy
utilizado en nuestra región para estabilidad de taludes y cálculo de capacidad
portante del suelo. En cuanto a estabilización de taludes no debemos olvidar
que el ensayo mide la resistencia a compresión simple, en el instante de
extraer la muestra más no predice el comportamiento más desfavorables del talud
en estudio, en las bibliografías revisadas para la construcción de este
documento, clasifica el ensayo entre los que mide la consistencia del suelo en
arcillas, valor que se debe comparar según tabla de consistencia del suelo
(INVIAS E – 152 – 07). Finalmente se recomienda el ensayo para suelo saturados
siempre y cuando el método observacional reafirme esta condición y el ensayo se
debe realizar en la misma dirección que el espécimen de suelo se encuentre en
el terreno.
2. El ensayo de
corte directo es el resultado de la aplicación de la ley de Coulomb y el
círculo de esfuerzos de Mohr modificado por Terzaghi en 1923, siendo su uso más
confiable en suelos plásticos y en
ingeniería se debe utilizar en estudios que impliquen verificación de la
capacidad portante del suelo, ya que en este caso la consolidación es completa
bajo la sobre carga que produce la estructura.
3. El ensayo
triaxial es la prueba más confiable en cuanto a simular las condiciones y el
comportamiento del suelo cuando esta sometido a cargas externas, ya que en la prueba se le aplica una presión
de confinamiento (s3). En cuanto arcillas se aplican tres tipos
de prueba para predecir el comportamiento del suelo: Consolidada drenada, consolidada
no drenada y no consolidada no drenada; en limos y arcillas la prueba no
consolidada no drenada se recomienda para suelos saturados de baja
permeabilidad, ya que en el suelo prevalece condiciones no drenadas y la condición
ф = 0. En cuanto a la prueba consolidada drenada y consolidada no drenada,
antes de recomendar su uso en la aplicación ingenieril , se recomienda aplicar
el método observacional, en cuanto a predecir el escenario más desfavorable y
recomendar el ensayo aplicar, según las
condiciones se asemeje el comportamiento
más desfavorable del suelo.
4. El ensayo
triaxial en cuanto a suelos granulares en edificaciones donde el suelo se carga
gradualmente, y hay tiempo necesario para que la presión de poros se disipe es recomendable
un prueba drenada. Cuando las cargas son de impacto como por ejemplo un sismo se recomienda una prueba no drenada cuya
compacidad relativa reproduzca las condiciones de campo.
5. El círculo
de esfuerzos de Mohr y su envolvente de falla específicamente cumple con las
condiciones planteadas en la Ley de Coulomb, en cuanto a determinar los
parámetros de cohesión y fricción en la mecánica de suelos. Parámetro que
ayudan al profesional de la geotecnia a predecir el comportamiento del suelo a
corto, mediano, o largo plazo según sean las necesidades del proyecto, una
predicción a corto plazo podría ser el comportamiento de una excavación para la
construcción de una recamara, y una predicción a largo plazo el proceso de
consolidación de un suelo bajo cargas externas de una edificación. Para el
primer caso aplicaríamos los conceptos de la teoría de empujes pasivos y
empujes activos, en el segundo caso se estimaría la capacidad portante del suelo.
Además el método grafico de círculos de esfuerzos de Mohr se convierte en una
herramienta de comprobación fácil y rápida, de los parámetros estudiados como son la consistencia del
suelo, el ángulo de fricción, presión horizontal y los coeficientes de empuje activos y empuje pasivo entre otros.
TEMA 3
INTRODUCCIÓN
La motivación del trabajo se
basa en la necesidad de establecer unos parámetros de cálculo, caracterización
del suelo y determinar lo más aproximadamente posible los respectivos comportamientos del suelo
ante cargas de estructuras o la necesidad de bajar la vulnerabilidad de falla o
compresibilidad de los suelos relacionados en los estudios geotécnicos.
Una de las soluciones más
prácticas y económicas para mejorar el comportamientos de los suelos es el uso
generalizado de los geotextiles y las geo-mallas; más cuando esto implica dar
soluciones prácticas y rápidas a los problemas de geotécnicos.
Es por ello que conocer los métodos
comparativos de laboratorio y los métodos de modelos matemáticos más acertados a aplicar para cada caso es fundamental; y ello solo se logra con una
profundización extrema de las filosofías de cálculo de los ensayos de
laboratorio y de los respectivos modelos matemáticos a aplicar.
Es claro que entender cuando es
absolutamente necesario garantizar la reducción de los errores sistemáticos y aleatorios de la
geotecnia, mediante la utilización de los ensayos de campo y las persistentes
visitas al terreno y las obras civiles que interactúan con los suelos en
estudio para el respectivo mejoramiento continuo de los procesos.
También es muy importante
entender que al ser la geotecnia una ciencia nueva y con procesos de desarrollo
científico, ante todo en el sistemático progreso científico de materiales de
geotextiles y geo-mallas, es fundamental la utilización de las herramientas de
comunicación, ante todo la internet, para investigar y comparar casos similares
o aplicables en las soluciones a plantear; y no solo los casos particulares si
no la utilización de las herramientas comparativas exitosas y generalizadas; ya
que la estadística, las caracterizaciones y tablas comparativas en los suelos
son fundamentales para ir bajando la posibilidad de entrar en errores
sistemáticos por la no utilización de las herramientas de comunicación
correctamente.
Lo anterior no excluye la
necesidad de realizar comités de obra o reuniones de consultoría de forma
permanente y adecuada; para tener en cuenta los criterios y conceptos de todo
el equipo de profesionales de las consultorías, ya que no solo es una actitud
responsable ante las acciones conjuntas y decisiones finales basadas en las
recomendaciones, juicio de ingeniería y experiencias de todos los participantes.
Es por ello que profundizar en
el cómo y porque se hacen ensayos de laboratorio y de campo, ante los
diferentes criterios técnicos de la geotecnia derivados de los conceptos de la
interacción suelo – agua y la determinación de la cohesión, fricción y densidad
de los materiales a los diferentes niveles del sub suelo, según sea el uso que
vaya a dar a cada nivel del suelo; ello es clave a la hora de saber decidir
cuales ensayos de laboratorio o de campo hacen aportes positivos e importantes
a los diferentes modelos matemáticos, herramientas comparativas y
recomendaciones finales ante la definición de un comportamiento aproximado del
suelo en las circunstancias reales del proyecto.
Siendo la resistencia al corte
de los suelos base para la toma de decisiones
finales, es muy importante profundizar en los conceptos, índices y
factores derivados de los conceptos de cohesión y fricción.
OBJETIVO
Es muy importante entender los fundamentos, filosofías y métodos matemáticos para determinar la resistencia al corte del suelo a usarse es cimentaciones, cuerpo de muros armados con geotextiles y/o geo-mallas y de los suelos soportados por las estructuras conformadas por esta interacción entre geotextiles, geo-mallas y suelos.
Es por ello que el uso de las herramientas de investigación como la internet para no solo aprender del cómo y de donde salen los diferentes criterios y parámetros para caracterizar los suelos y en especial la deformación ante determinadas cargas en el laboratorio y en el campo son claves a la hora de decidir que procedimiento y que tipo de ensayos o métodos matemáticos complementarían la posibilidad de no solo caracterizar el suelo correctamente si no de plantear el comportamiento del suelo a la luz de la mecánica de suelos.
En las estructuras conformadas por geotextiles y geo-mallas se deben entender que existen tres zonas a estudiar en el terreno, la cimentación del cuerpo conformados suelo - geotextiles, el material necesario para conformar el núcleo de las estructuras de geotextil y el suelo a soportar por estas estructuras, por lo anterior es un objetivo fundamental determinar ante los procesos constructivos con geotextiles y geo-mallas las características y caracterización de los diferentes suelos participantes en la interacción de los diferentes materiales participantes.
Es un objetivo fundamental recopilar los diferentes métodos de cálculo para los diferentes tipos de geotextiles y geo-mallas dados por los fabricantes; y así recopilar la teoría básica de la interacción del geotextil vs. suelo, gracias a la fricción entre los elementos y en algunos caso la fricción y la cohesión.
También es un objetivo recopilar casos en otros sitios e investigaciones dadas a nivel mundial sobre este interesante tema de la interacción suelo geotextil; gracias a la fricción y cohesión de los suelos.
Lo primero fue profundizar en los diferentes métodos de cálculo usados en campo y laboratorio para determinar la resistencia al corte de los suelos, ya que ello aclara no solo la teoría si no los diferentes procesos y vulnerabilidades que se presenta ante la existencia de los errores aleatorios y sistemáticos presentes en la geotecnia.
En una segunda etapa se recopilaron diferentes tipos de cálculos y modelos matemáticos según fabricantes de los geo-textiles, detectando en los procesos de cálculos la influencia de la cohesión y los métodos constructivos recomendados.
Según la caracterización y comportamiento de los suelos investigados vs. Estructura vs. Entorno.
Esta observación y análisis de la información fue metódicamente reconfirmada o no según las investigaciones de herramientas comparativas y consultas bibliográficas.
ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN
Determinar los métodos, aclarar las teorías y tomar un dato respectivo para la cohesión y la fricción de los suelos a usarse en el cuerpo de una estructura con geotextiles, la cimentación del sistema conformado y el suelo contenido con el sistema geotextil geo-malla y suelo es clave para que las conclusiones y recomendaciones tengan una vulnerabilidad y riesgos bajos a la hora de recomendar a los dueños de un proyecto el uso o no de geotextiles.
Los ensayos de compresión inconfinada, corte directo o triaxial son una base; pero no definitiva a la hora de determinar las características mecánicas del suelo y su comportamiento, ya que estos ensayos son muy vulnerables a los errores aleatorios implicados en todos los procesos.
Claro que según sea el tipo de proyecto estos pueden ser definitivos o de apoyo a la determinación de la resistencia al corte de los suelos, capacidad portante, potencial de asentamiento, posición del nivel freático, cohesión, índice de plasticidad, índice líquido, etc. Porque los ensayos de campo para determinar la resistencia al corte, la compresibilidad, la permeabilidad, etc. en nuestro concepto son más seguros y confiables, y es por ello que en proyectos especiales e importantes estos nunca deberían de faltar. Los geotextiles también pueden estar sometidos a degradación química, biológica y a pesar que sus grandes capacidades de soportar tensiones con bajas deformaciones éstos tienen una vida útil que también limita el período de diseño de los proyectos.
Garantizar la cohesión, fricción y densidad de los suelos en el tiempo es clave, es por ello que las recomendaciones constructivas en las diferentes etapas de armado de suelos (suelos cementos en los puntos donde no es posible obtener y garantizar compactaciones adecuadas) y las especificaciones de obra son importantes y clave a la hora de aplicar las recomendaciones del geotecnista; quien debe en nuestro criterio participar en toda la etapa de consultoría y ante todo en la elaboración de las especificaciones de obra según todas las etapas constructivas (compactación de los suelos , instalación de geotextiles, traslapo de los geotextiles, formaleta de muro en tierra armada, suelos cementos en las esquinas, etc).
Obtener las densidades de campo, los proctor modificados para acercarse en la obra a la resistencia al corte son necesarios de los suelos es una actividad sistemáticamente importante a la hora de garantizar la estabilidad de las obras con tierras armadas, es así como los factores de seguridad por la incertidumbre de los materiales es clave en este tipo de obras donde el suelo entra a ser parte integral de la estructura y no solo un cuerpo activo o pasivo.
La capacidad de soporte, los posibles asentamientos, la resistencia a la penetración estándar, la compresión in confinada, humedad natural, pesos unitarios, etc. de los suelos ensayados y obtenidos en la construcción son importantes para la modelación matemática de las estructuras de los suelos armados pero en nuestro concepto los procedimientos constructivos y los metódicos controles de calidad según las especificaciones de obra son igualmente importantes.
Al obtener cifras de propiedades medias de cohesión, fricción y pesos unitarios se definen las bases para caracterizar los suelos, pero ante todo para establecer el comportamiento de los mismos en cada una de sus funciones estructurales.
A los geotextiles se les realizan resistencias a la tensión, elongación, punzonamiento y permeabilidad, pero su arrancamiento depende también de su interacción con los suelos.
Las geomembranas como elementos laminares manufacturado con material sintético cuyas características de impermeabilidad permiten utilizarlo como recubrimiento o como barrera para controlar el paso de fluidos en un proyecto, estructura o sistema , junto a los geo drenes planares son complementarios a las estructuras de tierra armada y muy útiles al ayudar a mantener las condiciones y características del suelo, fundamental a la hora de dar estabilidad y durabilidad a las estructuras en tierra armada.
Finalmente se debe advertir al usuario (de los geotextiles vs geomallas vs suelos armados); las reales limitaciones de las teorías, toma de muestras, ensayos de laboratorio y campo; de las ecuaciones usadas, ya que las condiciones del usuario y el geotecnista están más allá del control posible por las partes; siendo la interventoría y auditaje de los proyectos una actividad crítica.
El geotextil por arrancamiento del refuerzo sujeto a cargas mayoradas debe tener en cuenta las fuerzas de tracción para la resistencia al arrancamiento, pero la estabilidad de los suelos es clave para mantener la forma de las estructuras conformadas con geotextiles y reforzadas con geo mallas.
Los mantenimientos de las obras de drenaje en tierras armadas son claves para la estabilidad, ya que el fallo para estos casos no es el colapso si no el inicio de movimientos en los suelos.
Es así como calibrar la calidad de la información es lo ideal cuando se tiene un juicio ingenieril constructivo.
Los suelos cohesivos no son lo ideal para estructuras armadas con geotextiles, los suelos friccionantes y de buena permeabilidad son lo recomendado; pero la posibilidad de mantener la humedad suficiente y necesaria para mantener la cohesión adecuada permite la utilización de suelos con cierta cohesión, pero que no sean fácilmente deformables o plastificables ante la presencia de agua y cargas externas.
Las nuevas metodologías apuntan a elementos finitos que miden deformaciones y calculan la resistencia al corte; hecho que no afecta la importancia de los ensayos de campo en los proyectos especiales y de cierta envergadura (riesgos de pérdidas altos en vidas humanas, inversiones e infraestructuras).
1. Cuando se presentan suelos cohesivos, con problemas de alta plasticidad y/o de alta compresibilidad; en general son suelos con muy baja fricción e inconvenientes para armar tierras con geotextiles y/o geo mallas.
3. Pero al permitirse cierta cohesión en los materiales para el cuerpo de un talud, por ejemplo, es posible mejorar la fricción mezclando con materiales granulares transportados; siendo los costos todavía altamente competitivos ante muros reforzados, semi-reforzados o de gravedad para estabilizar terraplenes viales. Esta fricción obtenida mecánicamente al mezclar granulares con material de la zona; mejora ante todo las condiciones de arrancamiento del geotextil respecto de las capas de suelo mezclado encapsulado; ya que al controlar la humedad de los muros y terraplenes armados se garantiza la cohesión y fricción necesaria y solicitante por los modelos matemáticos planteados. Los cuidados que deben tenerse con este tipo de obras para garantizar su buen desempeño y mayor vida útil son principalmente de mantenimiento preventivo y períodico de los filtros, capas vegetales y estructuras filtrantes, sin olvidar que la cobertura vegetal protege de los rayos solares y el daño antrópico las mallas tejidas; es recomendable evitar la poda con equipos mecánicos sobre el geotextil para evitar cualquier tipo de daño, tal que su durabilidad y resistencia a la tensión pueda garantizarse para el período de diseño.
Para determinar la resistencia
al corte se pueden usar diferentes métodos y ensayos usando las tres
dimensiones de la geotecnia; así:
A.
El
conjunto definido de operaciones para la identificación medida y evaluación de
una o más características de un material (en este caso el suelo) es un
ensayo; con los procedimientos tipo “cocina”, que deben realizarse al pie
de la letra en el laboratorio, y que
están sometidos a muchas variables y errores. Para determinar la resistencia al
corte del suelo tenemos los siguientes ensayos de laboratorio para la mecánica
de suelos, así:
1.
Ensayo al corte directo:
Este esta
normalizado por la norma ASTM D3080; y es un ensayo en el que un espécimen de
suelo o roca es sometido a una carga normal y luego se le aplica u esfuerzo
cortante para determinar los valores de cohesión y el ángulo de fricción
interna (ver círculo de mohr – coulomb).
2.
El ensayo índice en la cazuela de Casagrande; es un ensayo para determinar
el límite liquido ( 25 golpes a una altura determinada); pero finalmente es un
ensayo al corte donde se determina la humedad donde el suelo tiene el limite líquido;
siendo el índice líquido junto con el índice de plasticidad muy importantes a
la hora de aplicar racionalidad y lógica a los resultados; no estadísticas;
teniendo en cuenta la humedad natural del terreno; y si ello se evalúa con el
criterio de un buen juicio de ingeniería necesario para calibra la calidad de
la información al aplicar los métodos comparativos; la resistencia al corte del
suelo con cierto contenido de humedad puede ser correctamente deducida. Estos
costos de laboratorio son bajos pero muy útiles a la hora de sacar conclusiones
de la resistencia al corte de un suelo por los métodos comparativos y
correlaciones ante la infinidad de ensayos y tablas disponibles al respecto.
3.
Ensayo triaxial con
consolidación y drenaje:
llamado también ensayo CD o ensayo lento. Prueba de resistencia de una muestra
de suelo a la compresión, en la que el espécimen es sometido a un proceso
completo de consolidación, bajo un esfuerzo de confinamiento dado, antes de la
aplicación del esfuerzo desviador (axial o cortante, según sea el caso). La
aplicación del esfuerzo desviador se hace se hace de modo tal que aún los
suelos de baja permeabilidad completamente saturados pueden adaptarse a los
cambios de esfuerzos debido al esfuerzo desviador; durante todo el proceso se
elimina el exceso de presión de poros mediante un adecuado sistema de drenaje;
por la lentitud del proceso el ensayo se hace costoso y poco práctico para
nuestro medio.
4.
Ensayo triaxial con
consolidación y sin drenaje:
Llamado también ensayo CU, o ensayo
consolidado rápido, no es drenado, y durante todo el proceso de
aplicación del esfuerzo desviador se mide y registra la presión de agua en los
poros del suelo; y así se pueden corregir los esfuerzos reales. Es así como
este ensayo es más rápido y por lo tanto menos costoso y práctico para nuestro
medio.
5.
Ensayo triaxial sin
consolidación y sin drenaje : llamado también ensayo rápido, o ensayo UU. Ensayo de resistencia a la compresión
sobre una muestra que se lleva a la caja de cizalladura o a la cámara triaxial
sin someterla a un procesos de consolidación y en el que el contenido de agua
del espécimen permanece prácticamente constante durante la aplicación del
esfuerzo de confinamiento y del esfuerzo desviador. Durante la ejecución de
este ensayo puede medirse y registrarse la presión intersticial. Este ensayo es
más práctico para nuestro medio, ya que los costos son menores.
6.
Ensayo de cizalladura con
control de deformación:
es un ensayo de corte directo en el que la fuerza cortante es aplicada de modo
que la velocidad de deformación es aplicada a voluntad del operador.
7.
Ensayo
de consolidación o ensayo de compresión confinada: Una muestra de suelo es sometida a un esfuerzo de compresión
axial, al tiempo que se impide cualquier deformación transversal al poner la
muestra en un anillo y entre dos placas porosas; se pueden obtener las
características de compresibilidad, el coeficiente de permeabilidad y consolidación del suelo. Finalmente la
consolidación es la representación de las cargas al suelo, ante los movimientos
diferenciales (módulo de elasticidad E). El edómetro o consolidómetro es un
instrumento utilizado en los ensayos de compresibilidad, consolidación y de
potencial de expansión de los suelos y un conjunto de mecanismos de aplicación
y medición de carga y de medición de las deformaciones resultantes, lo que
puede llevar a calcular la respectiva resistencia al corte de los suelos.
Estos ensayos de corte y
triaxiales están sometidos a la vulnerabilidad de muchos errores sistemático y
aleatorios (toma de muestras inalteradas) y se basan en la envolvente de un
conjunto de círculos de Mohr que representan las condiciones de ruptura de un
material dado (falla del material), en los procesos de toma de muestra,
transporte, proceso de ensayo en el laboratorio tipo receta; es por ello que la determinación del límite
líquido, el límite plástico para determinar los índices líquido y plástico no
solo ayudan a clasificar el suelo ; si no
que se convierten en una herramienta racional y de la lógica, para
determinar no solo la resistencia al corte del suelo si no que ayuda a
proyectar un comportamiento del suelo, que finalmente es lo importante, es por
ello que los ensayos índice para proyectos pequeños y no especiales son muy
viables por sus bajos costos y la calibración real de la información cuando se
quieren juicios de ingeniería prácticos y constructivos.
B.
Cuando se requiere mayor
precisión y correr menos riesgos; como es el caso de proyectos especiales o
casos críticos con mucha incertidumbre, lo ideal es llevar equipos al terreno
(el campo) y realizar ensayos directamente en el suelo y el subsuelo para
determinar la resistencia al corte del suelo, entre estos ensayos de campo
tenemos:
1.
Ensayo de penetración Borros: llamado ensayo de penetración
con cono, que consiste en hincar en el suelo una punta de 1,5 kg. De masa de
forma prismática; desde una altura de 0,5 m. se dan golpes con una masa de 65
kg. , y el miden el número de golpes necesarios para avanzar 20cm. El ensayo
permite medir la resistencia a la fricción y a la penetración, correlacionado
la resistencia al corte del suelo según el número de golpes necesarios.
2.
Ensayo de penetración estándar: Procedimiento de exploración y
muestreo de suelos que consiste en hincar en el suelo un muestreador de tubo partido o una herramienta similar,
mediante la aplicación de golpes de un martillo de 63,5 kg. Dejándose caer
desde un a una altura de 0,75 m. Como medida de la resistencia a la penetración
se registra el número de golpes necesarios para penetrar una distancia de 0,30
m. este número ha sido correlacionado con algunas propiedades relevantes al
suelo, particularmente con sus parámetros de resistencia al corte, capacidad
portante, densidad relativa, potencial de licuefacción, etc.
3.
Ensayo de penetración estática: Es un procedimiento de
exploración que consiste en introducir en el suelo una varilla de acero, en la
punta tiene un cono de dimensiones normalizadas, se registra el esfuerzo para
avanzar a una velocidad dada. Correlacionado se puede determinar la resistencia
al corte del suelo.
4.
Ensayo de placa: Procedimiento para determinar
in situ la resistencia y compresibilidad de un suelo. Consiste en la aplicación de una carga
utilizando una placa metálica rígida circular y un gato hidráulico. Este ensayo
se puede realizar a la profundidad deseada si se logra desplantar el terreno.
Se verifican los asentamientos calculados a partir de unos ensayos de
consolidación y se puede evaluar la
capacidad portante del suelo. Es muy práctico en aquellos terrenos con
presencia de discontinuidades.
5.
Ensayo de resistencia la corte
in situ O ENSAYO DE VELETA:
Consiste en introducir en el suelo una varilla con paletas rectangulares
dispuestas radialmente en su extremo y se mide el torque necesario para hacer
girar el instrumento, calculando la resistencia al corte a partir del torque y teniendo en cuenta las
dimensiones de las paletas (NORMA ASTM D2573).
6.
Penetrómetro de bolsillo: Este instrumento es muy práctico, ya que se
pueden obtener resultados inmediatos a correlacionar. Y es un buen punto de
referencia para la toma de decisiones del tipo de ensayos que se deben usar
para complementar los estudios.
Estos
ensayos de campo están sometidos a una menor vulnerabilidad a errores aletorios
y sistemático; por ende si es necesario una mayor precisión al respecto de la
resistencia de los suelos es mejor
llegar a aplicar una metodología de la investigación en el terreno mismo.
C.
Trabajos en oficina: Finalmente datos para obtener la clasificación de suelos similares al suelo en estudio,
mediante la utilización de los medios de comunicación y difusión (índices de
plasticidad y líquido), estructuras
geométricas de taludes, datos de permeabilidad, plasticidad, consistencia,
percolación, dilatancia, el módulo de rigidez del suelo, potencial de succión,
dinámica estructural de los suelos, asentamiento, consolidación, medidas de deformaciones ante
cargas(métodos de elementos finitos y diferenciales), uso de la foto interpretación, etc. Junto con una buena
caracterización del suelo en estudio y proyección del comportamiento de los
suelos respecto de los similares de otros casos particulares bien registrados , consignados,
certificados y verificados por entidades
serias de la geotecnia; pueden aportar
datos para modelar matemáticamente, lograr obtener con correlaciones,
comparaciones y experiencias de casos
particulares (consultas de estudios
serios, registrados y certificados por sociedades de geotecnistas a nivel
mundial y local), la resistencia al
corte del suelo en estudio; inclusive sin realizar ensayos de laboratorio o
de campo al propio suelo problema con experiencia y juicio ingenieril;
solamente comparándolo con datos de anteriores estudio, casos similares de la
zona, lotes vecinos, etc. Para
determinar recomendaciones,
conclusiones y datos que pueden servir perfectamente para etapas de pre-factibilidad y
factibilidad de proyectos. O para aportar a un estudio de un proyecto si el
geotecnista considera a su juicio que estas comparaciones pueden justificarse y
ser viables; también pueden servir inclusive para solucionar emergencias y
tomar decisiones en caliente,
mitigar desplazamientos de suelos o casos en que se deba actuar de forma
inmediata para bajar la vulnerabilidad de riesgos de pérdidas de vidas humanas
y económicas; todo basado en una buena recopilación, uso de las comunicaciones
y buen manejo de información en oficina.
Es
por ello que un buen geotecnista y un buen director de laboratorio y
perforaciones debe registrar juiciosa e históricamente su trabajo día a día, ya que estos casos, datos técnicos
y estudios de investigaciones aportan positivamente a la geotecnia no solo de
la región si no a nivel mundial, ya que las ciencias de la mecánica de suelos y
la geotecnia son jóvenes y necesitan de un aporte y mejoramiento continuo; ante
todo cuando las soluciones a problemas geotécnicos son exitosos.
REFERENCIAS
· TITULO H DEL REGLAMENTO COLOMBIANO DE CONSTRUCCIONES SISMO RESISTENTE NSR-10.
· Bowles, J. E. (1982). Propiedades geofísicas de los suelos. (1ª. Ed.) Bogota, Colombia.
· Jiménez Salaz J. A. (1975). Geotecnia y Cimentaciones I. (2ª. Ed.) Madrid España.
· Meza Ochoa V. E. (2013). Guía de laboratorio de Mecánica de Suelos. (1ª. Ed.) Colombia.
· Arango Vélez A. (1983)Manual de Laboratorio de Mecánica de suelos. (3ª Ed.) Medellín, Colombia
· Braja M. Das (2008). Principios de Ingeniería de Cimentaciones. (5ª Ed.) México, D. F.
· Hoyos Patiño F. (2001). Geotecnia Diccionario Básico. (1ª Ed.) Medellín, Colombia
· Peck R., Hanson W. & Thornburn T. (1991). Ingeniería de Cimentaciones. (5a Ed.) México.
· Vallecilla Bahena C. (2004). El Círculo de Mohr Fundamentos y Aplicaciones. Bogota D.C., Colombia.
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