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fernandoguevaraaraujo
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tensiones en las masas de suelo
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1CAPITULO IVTENSIONES DENTRO DE
MASA DE SUELO
Esfuerzo geosttico
z
elemento A
Esfuerzos en el elemento A estncompuestos por las cargas externasy por el peso propio del suelo porsobre el elemento A. Ambos sistemasson complicados de cuantificar. Sinembargo, si tomamos el casohabitual en que la superficie delterreno es horizontal y el material esbastante homogneo en la direccinhorizontal esfuerzos geostticos
Esfuerzo geosttico: esfuerzo asociado al peso propio delsuelo. Podemos tener esfuerzos geostaticos verticales y
horizontales.Como se calculan?
2Esfuerzo geosttico
z
elemento A
Esfuerzos geostticos verticales:Equivalen al peso de una columna desuelo de densidad
- Si =cte v =zx en estecaso, el esfuerzo vertical variarlinealmente con la profundidad, esdecir a mayor profundidad mayor elesfuerzo vertical.
-Si =variablePorque podria ser variable??
zv dz0 Que pasa cuando tenemosestratos?
3Esfuerzo geosttico
z
elemento A
Esfuerzos geostticos horizontales:Generalmente, v hComo se determina h?- Si retomamos el elemento A a unaprofundidad z, este elemento desuelo no se puede moverhorizontalmente el suelo seencuentra en reposo
Llevar muestra de suelo allaboratorio y obtenemos Ko:coeficiente de transmisin lateralen reposo
Si tenemos Ko y vpodemos obtener h
vhK
0
4Esfuerzo geosttico Valores tpicos de Ko:
Suelo granular suelto: 0.5 0.6 Suelo granular denso: 0.3 0.5 Arcillas (blandas): 0.9 1.1 Arcillas (duras): 0.8 0.9
Principio de presin efectiva
z
elemento A
Si tenemos un suelo y lo cargamos, este esfuerzo es tomado por laspartculas de suelo a travs del contacto entre partculas. Ahora, si elsuelo se encuentra saturado, el agua en los vacos tambin puedetomar carga esto nos va a generar un incremento de presin.
5Principio de presin efectiva En 1923 Terzaghi present el principio de ESFUERZO
EFECTIVO Aplica SOLO a suelos saturados
Cuando existe presencia de agua, en el elemento Aactan:
esfuerzo total (): esfuerzo imaginando que el suelo esmonofsico, i.e. suelo + agua = una fase
presin de poros (u): presin de agua que llena losporos
esfuerzo efectivo (): representa el esfuerzo transmitidoslo por las partculas
= u
Principio de presin efectiva Como se calcula la presin de poros??? Peso columna de agua sobre el elemento A
Presin de poros: u = w x z
De donde el esfuerzo efectivo vertical se escribe como:v = v u = x z - w x z = b x z
Ahora, dado que el nivel de la napa fretica no esconstante, tendremos distintos casos dependiendo delnmero de estratos y de la posicin de la NF
6Principio de presin efectiva
z t
N.T.
z sat
N.T.
za
zb sat
N.T.
t
zw
zasat
N.T.w
za
zb tb
ta
sat
N.T.
zw
Tensiones dentro de masa de sueloResumen para el clculo de esfuerzos geostaticosverticales y horizontales en presencia de agua.
1. Obtener esfuerzos totales verticales2. Obtener esfuerzos efectivos verticales (totales presin de
poros)3. Obtener esfuerzos efectivos horizontales (usando Ko ->
IMPORTANTE! Ko se usa solo con esfuerzos efectivos!!!)4. Obtener esfuerzos totales horizontales (efectivos + presin
de poros)
7Tensiones dentro de masa de sueloEfecto de capilaridadEl efecto de capilaridad se produce en suelos queestn sobre pero cerca de la napa fretica. Elsuelo sobre la napa fretica chupa el agua hastauna cierta altura.La altura de la columna de agua que un suelo puedemantener es inversamente proporcional al tamaode los poros del suelo en el contacto agua suelo,es decir, entre mas grandes los poros mas baja esla altura de la columna de agua.Esta columna de agua por sobre la napa fretica sellama altura o carga capilar.
Tensiones dentro de masa de sueloEfecto de capilaridadBajo la napa fretica las presiones de porosson positivas, sin embargo sobre la napa laspresiones de poros son negativas, i.e.presiones inferiores a la atmosfrica, por loque: = (- u) = + u los esfuerzosefectivos son mayores que los totales!!
8N.F.
N.T.Agua
Arena gruesa, w=20% Gs = 2.7, Ko = 0.4
Arcilla arenosa, t =1.9 t/m3 , e = 0.67,w=26.8%, Ko = 0.6
5 m
5 m
7 m
A
B
C
D
Calcule las presiones verticales, horizontales (totales y efectivas)y presiones de poro en los puntos A, B, C y D.
Tensiones por cargas externasCarga puntual:
Carga distribuida
P
zR
2522
1
123
ZRz
Pv
qb=mz
a=nz z
En la ESQUINA:
2222
222222
222222
112
12
112
4 mnnmnmmnarcsennm
nmnmnm
nmmnqv
9
10
11
Para el mismo ejercicio anterior, onsidere ahora que lanapa fretica es agotada hasta el nivel B y se agrega unacarga rectangular de 5 t/m2 considerada de longitudinfinita de 6 m de largo.Calcule el incremento de tensin vertical al centro de lacarga rectangular a la profundidad D.
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CAPITULO VCOMPACTACION DE SUELOS
CompactacinDefinicin: Densificacin del suelo por remocinde aire (mediante mtodos mecnicos)
no hay cambio significante en el volumen deagua
Se mide en trminos de su peso especficoseco
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Fases de la compactacin
CompactacinDensificacin de suelos de manera de:
14
Ensayo Proctor (1930-1940) Necesidad de compactar eficientementecon las mquinas existentes en la poca
Necesidad de medir los resultados de lacompactacin
Ensayo Proctor
28
Equipo
Das, 1998
15
Ensayo Proctor- Molde: altura = 116.3 mm
dimetro = 101.6 mm
- 3 capas iguales de material, golpeadas 25veces cada una con un martinete de peso24.4 N desde una altura de 304.8 mm
- Esta energa corresponde a la disponibleen la poca
Ensayo Proctor Para cada ensayo se determina el pesoespecfico hmedo del suelo y luego elpeso especfico seco
Se repite esto 4 o 5 veces con distintosgrados de humedad
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EjemploLos datos de un
ensayo decompactacinProctor estndar sepresentan en lasiguiente tabla.Encuentre el pesoespecfico secomximo y lahumedad ptima decompactacin.
Volumenmolde Proctor(cm3)
Masa desuelohmedo en elmolde (kg)
Contenidode humedad(%)
943.3 1.76 12943.3 1.86 14943.3 1.92 16943.3 1.95 18943.3 1.93 20943.3 1.90 22
Volumen moldeProctor(cm3)
Masa desuelo hmedoen el molde(kg)
t(g/cm3)
w(%)
d(g/cm3)
943.3943.3943.3943.3943.3943.3
17
1.641.661.681.7
1.721.741.761.78
0 5 10 15 20 25humedad
dens
idad s
eca
Posteriormente, dado que exista mayor energa decompactacin disponible. Se desarroll el ProctorModificado
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Proctor Modificado Establece 3 procedimientos:
Factores que afectan lacompactacin
TIPO DE SUELO:
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Factores que afectan la compactacin
Factores que afectan lacompactacin
ENERGIA DE COMPACTACION Se define: Ee = Energa equivalente
Donde:- N: nmero de golpes por capa- n: nmero de capas- w: pero pisn o martinete- h: altura de cada- v: volumen del molde
VhwnNEe
20
Energa de compactacinAplicando la ecuacinanterior se puedever que la relacinentre el Proctorestndar y el Proctormodificado es de 1:4
Pst Pm
N 3 5
n 25 25
w (N) 24.4 44.5
h (m) 0.3048 0.4572
v (cm3) 944 944
Ee (KNm/m3) 591.3 2696VhwnNEe
Energa de compactacind(t/m2)
w (%)
ProctorModificado
Proctor Estndar
A mayor energa de compactacin:Densidad seca mayorHumedad ptima menor
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Energa de compactacinPara un contenido de agua dado, el pesoespecfico mximo terico se obtiene cuando noexiste aire en los espacios vacos S = 100%
d Gs 1 A 1 wGs w
Compactacin en terreno Objetivo compactacin: mejorar laspropiedades ingenieriles del terreno
Se debe especificar la densidad seca paracumplir con los propsitos del proyecto
Se define: CR = compactacin relativa ogrado de compactacin
CR = peso unitario seco en terreno x100%peso unitario seco en ensayo
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Las especificaciones tcnicas para laconstruccin de un tarreapln exigen que el sueloa utilizarse sea compactado por lo menos al 95%del Proctor Modificado. Una medicin realizadaen el terrapln entrega un valor de t =1.98 t/m3 yS=70%. En base a esta medicin determine si seest cumpliendo la especificacin decompactacin. Adems calcule la cantidad de airepara el mximo del Proctor Modificado
Compactacin en terreno Habitualmente CR = 90 105% Adems se especifica la humedad almomento de compactar. Esta humedadcorresponde a la humedad ptimaobtenida en laboratorio, o valorescercanas a ella (1.5% mas , 3% menos)
Las diferencias con respecto a wop sondebido a factores climticos
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Como se procede en terreno?En trminos bien generales:- Se dispone del material especificadopara rellenar el suelo existente- Se extiende en capas de espesoressueltos compatibles con la maquinariadisponible (espesores 15 cm a 60 cm)- Se compacta con los equiposespecificados- Se realiza control de calidad
Equipos de compactacin Pisn de mano
Altamente ineficiente Baja energa decompactacin
W = 20 kg
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Equipos de compactacin Plancha vibradora
Suelos granulares W = 50 - 100 kg
Equipos de compactacin Rodillo liso
Para la mayora de lossuelos menos arenasuniformes o arenaslimosas
W = 400 kg - 20 ton
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Equipos de compactacin Rodillo lisovibratorio Suelos granulares W = 400 kg - 20 ton W Wop
Equipos de compactacin Rodillos con placas
Suelos no granulares W = 400 kg - 20 ton
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Equipos de compactacin Rodillos patas decabra Fundamentalmentearcillas
W = 400 kg - 20 ton
Equipos de compactacin
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Control de calidad Verificar si se cumplen las propiedadesexigidas
Ubicacin de muestras debe serrepresentativa en capas y materiales
Se recomiendo una muestra cada 1000m3 a 3000 m3 o en cambios de material oespecificaciones
Control de calidad Dos tipos de ensayos:
Destructivos: obtener una muestra dematerial genera un espacio que despusdebe ser compactado
No destructivo: mtodos indirectos que norequieren muestra de suelo
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Ensayo destructivo Densidad in situ: cono de arena
Cono de arena
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Cono de arena Aplicable a partculas de tamao < 50 mm
Obtener el peso de suelo hmedo de unapequea perforacin hecha sobre lasuperficie y generalmente del espero de lacapa compactada
Se obtiene el volumen de materialextrado
Cono de arena- Se obtiene la densidad aparente seca dela arena normalizada
- Se hace un hoyo en la capa y se rellenacon la arena normalizada conociendoel peso y la densidad de la arenanormalizada obtenemos el volumen
- Conociendo el volumen y el peso de suelohmedo y luego la humedad obtenemos ladensidad seca grado de compactacin
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Ensayo no destructivo- Densmetro nuclear
Densmetro nuclear Basado en la interaccin de rayos gammaprovenientes de una fuente radioactiva ylos electrones de las rbitas exteriores delos tomos del suelo
Lectura de intensidad de radiacin esconvertida a una medida de densidadhmeda por medio de una curva decalibracin propia del equipo
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CBR Forma de evaluar y clasificar la capacidad
de un material como sub-rasante omaterial de base en la construccin decarreteras.
Mide la resistencia al corte de un suelobajo condiciones de humedad y densidadcontroladas.
Se hacen generalmente sobre muestrascompactadas con el contenido dehumedad ptimo, determinado en elensayo de compactacin Proctor. Amenudo se compactan dos muestras, unopara penetracin inmediata y otro parapenetracin despus de dejarlo saturarpor 96 horas para simular las condicionesms desfavorables en cuanto a drenaje deun camino y para determinar su posibleexpansin.