DE INGENIERIA DE CIMENTACIONES

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PRINCIPIOS DE , INGENIERIA DE CIMENTACIONES

Cuarta Edicin

BRAJA M. DASCalifornia State University, Sacramento

International Thomson EditoresMxico Albany Boston Johannesburgo Londres Madrid Melbourne Nueva York San Francisco San Juan, PR Santiago Sao Paulo Singapur Tokio Toronto Washington

Traduccin del libro Principies ofFoundation Engineering, 4'h. Ed., publicado en ingls por PWS Publishing 1999 ISBN 0-534-95403-0

Principios de ingenierla de cimentacionesISBN 970-686-035-5 Derechos reservados respecto a la edicin en espafiol. 2001 por Intemational Thomson Editores, S. A. de C. V. Intemational Thomson Editores, S. A. de C. V. es una empresa deTHOMSON LEARNING

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Traduccin Jos de la Cera Alonso Universidad Autnoma Metropolitana, Azcapotza/co Revisin tcnica Ignacio Berna! Carrfio Universidad de las Amricas-Puebla

Director editorial y de produccin: Miguel ngel Toledo Castellanos Editor de desarrollo: Pedro de la Garza Rosales Gerente de produccin: Ren Garay Argueta Correccin de estilo: Antonio Sienra Pacheco Editora de Produccin: Patricia Pantoja Valdez Diseo de portada: Jess Enrquez Tipografa: Erika Salazar, L 'atelier Lecturas: Demetrio Alemn y Guadalupe Morales 987654321

OIVO

Queda prohibida la reproduccin o transmisin total o parcial del texto de la presente obra bajo cualesquiera formas, electrnica o mecnica, incluyendo el fotocopiado, el almacenamiento en algn sistema de recuperacin de informacin, o el grabado, sin el consentimiento previo y por escrito del editor.A/l rights reserved. No part of this work covered by the copyright hereon may be reproduced or used in any form or by any means -graphic, electronic, or mechanical, including photocopying, recording, taping or information storage and retrieval systems- without the written permission ofthe publisher.

Impreso en Mxico Printed in Mexico

A la memoria de mi padre, y a Janice y Valerie

CONTENIDO

CAPTULO 1

Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado 11.1 Introduccin 1 1.2 Distribucin granulomtrica 2 1.3 Lmites del tamao para suelos 5 1.4 Relaciones peso-volumen 6 1.5 Compacidad relativa 9 1.6 Lmites de Atterberg 15 l. 7 Sistemas de clasificacin de suelos 17 1.8 Permeabilidad hidrulica del suelo 25 1.9 Filtracin en condiciones de rgimen establecido 28 1.10 Criterios para el diseo de filtros 30 1.11 Concepto de esfuerzo efectivo 32 1.12 Ascencin capilar en suelos 35 -"'1.13 Consolidacin. Consideraciones generales 36 1.14 Clculo de asentamientos por consolidacin 44 1.15 Tasa de consolidacin 46 1.16 Resistencia al corte 55 1.17 Prueba de compresin simple 61 1.18 Comentarios sobre los parmetros de la resistencia al corte 62 1.19 Sensitividad 66 1.20 Refuerzo del suelo. Generalidades 68 1.21 Consideraciones para el refuerzo del suelo 69 Problemas 72 Referencias 76

CAPTULO 2

Depsitos naturales de suelo y exploracin del subsuelo 792.1 Introduccin 79 Depsitos naturales de suelo 79 2.2 Origen del suelo 79 2.3 Suelo residual 80

vlll

Contenido

2.4 2.5 2.6 2. 7 2.8 2.9 . 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20

Depsitos aluviales 80 Depsitos glaciares 84 Depsitos elicos de suelos 86 Suelo orgnico 87 Algunos nombres locales para suelos 8790

Exploracin subsuperficial

Propsito de la exploracin del suelo 90 Programa de exploracin del subsuelo 90 Perforaciones exploratorias en campo 94 Procedimientos para muestreo del suelo 98 Observacin de los niveles del agua fretica 108 Prueba de corte con veleta 111 Prueba de penetracin del cono 115 Prueba del presurmetro (PMT) 122 Prueba del dilatmetro 125 Extraccin de ncleos de roca 127 Preparacin de registros de perforacin 130 Determinacin de la permeabilidad hidrulica en el campo 132 2.21 "" Exploracin geofsica 135 2.22 Reporte de la exploracin del subsuelo 143 Problemas 144 Referencias 149

CAPTULO 3

Cimentaciones superficiales: capacidad de carga ltima 1523.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 Introduccin 152 Concepto general 152 Teora de la capacidad de carga de Terzaghi 156 Modificacin de las ecuaciones de la capacidad de carga por nivel de agua fretico 159 Caso histrico: capacidad de carga ltima en arcilla saturada 161 Factor de seguridad 164 La ecuacin general de la capacidad de carga 166 Efecto de la compresibilidad del suelo 172 Cimentaciones cargadas excntricamente 176 Capacidad de carga de suelos estratificados. Suelo ms fuerte sobre suelo ms dbil 187 Capacidad de carga de cimentaciones sobre un talus en suelo granular 197

Avances recientes en capacidad de carga de cimentaciones sobre suelo reforzado 202

Contenido

lx

3.13 3.14 3.15 3.16

Cimentaciones sobre arena con refuerzo geotextil 202 Cimentaciones sobre arcilla saturada (t/J =O) con refuerzo geotextil 204 Cimentaciones sobre arena can refuerzo de geomallas 205 Cimentaciones corridas sobre arcilla saturada (t/J =O) con refuerzo de geomallas 210 3.17 Observaciones generales 212 Problemas 212 Referencias 217

CAPTULO 4

Cimentaciones superficiales: capacidad de carga y asentamiento admisibles 2194.1Introduccin 219

lncrmento del esfuerzo vertical en una masa de suelo causado por carga en la cimentacin 2204.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4. 7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14Esfuerzo debido a una carga concentrada 220 Esfuerzo debido a un rea circularmente cargada 221 Esfuerzo debajo de un rea rectangular 222 Incremento del esfuerzo vertical promedio debido a un rea cargada rectangularmente 229 Incremento del esfuerzo bajo un terrapln 233 Incremento del esfuerzo debido a cualquier tipo de carga 237 Asentamiento elstico basado en la teora de la elasticidad 240 Asentamiento elstico de cimentaciones sobre arcillas saturadas 245 Asentamiento de suelo arenoso: uso del factor de influencia de la deformacin unitaria 247 Rango de los parmetros del material para calcular asentamientos elsticos 250 Asentamiento por consolidacin 251 Modificacin Skempton-Bjerrum para asentamientos por consolidacin 254 Asentamiento por consolidacin. Comentarios generales y un caso histrico 256

Clculo de asentamientos 240

Capacidad permisible de carga 2584.15 4.16 4.17 4.18 4.19Presin permisible de carga en arena basada en consideraciones de asentamientos 258 Prueba de carga en campo 261 Capacidad de carga presupuesta 267 Asentamientos tolerables en edificios 267 Cimentacin superficial sobre suelo reforzado 268

-

Cimentaciones con suelo reforzado 268

X

Contenido

Cimentacin corrida sobre suelo granular reforzado con tiras metlicas 270 4.21 Factor de seguridad para tirantes contra ruptura y zafadura 277 4.22 Procedimiento de diseo para cimentaciones corridas sobre tierra armada 279 Problemas 286 Referencias 2904.20

CAPTULO S

Losas para cimentaciones5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

293

Introduccin 293 Tipos comunes para losas de cimentaciones 296 Capacidad de carga de losas para cimentaciones 297 Asentamientos diferenciales de losas para cimentaciones 303 Observaciones de asentamientos en campo para losas de cimentacin 304 5.6 Cimentaciones compensadas 307 5. 7 Diseo estructural de las losas para cimentaciones 310 Problemas 330 Referencias 333

CAPTULO 6

Presin lateral de tierra6.1 6.2

334

Introduccin 334 Presin lateral de tierra en reposo 335 Presin activa 340 6.3 Presin activa de tierra de Rankine 340 6.4 Presin activa de tierra de Rankine para terrapln inclinado 347 6.5 Presin activa de tierra de Coulomb 350 6.6 Presin activa de tierra para condiciones ssmicas 358 6. 7 Presin lateral de tierra por sobrecarga 363 6;8 Presin activa por rotacin del muro respecto a su parte superior. Corte apuntalado 365 6.9 Presin activa de tierra por traslacin del muro de retencin. Relleno granular 367 Presin pasiva 372 6.10 Presin pasiva de tierra de Rankine 372 6.11 Presin pasiva de tierra de Rankine. Relleno inclinado 377 6.12 Presin pasiva de tierra de Coulomb 378 6.13 Comentarios sobre la hiptesis de la superficie de falla para los clculos de la presin de Coulomb 380 Problemas 383 Referencias 386

Contenido

xi

CAPTULO 7

Muros de retencin7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 Introduccin 387

387389

Muros de gravedad y muros en voladizo

Dimensionamiento de muros de retencin 389 Aplicacin de las teoras de la presin lateral de tierra al diseo 390 Revisiones de la estabilidad 392 Otros tipos de posibles fallas en un muro de retencin 411 Comentarios relativos a la estabilidad 415 Drenaje del relleno del muro de retencin 418 Juntas en la construccin de muros de retencin 419 Diseo de muros de retencin de gravedad por condicin ssmica 420424

Muros de retencin mecnicamente estabilizados

7.10 Consideraciones generales de diseo 424 7.11 Muros de retencin con refuerzo de tiras metlicas 424 7.12 Procedimiento de diseo paso a paso (refuerzo de tiras metlicas) 432 7.13 Muros de retencin con refuerzo geotextil 438 7.14 Muros de retencin con refuerzo de geomallas 443 7.15 Comentarios generales 447 Problemas 448 Referencias 451

CAPTULO 8

Estructuras de ataguas o tablaestacas8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14 8.15 8.16 Introduccin 453455 Muros de tablaestacas

453

Mtodos de construccin 455 Muros de tablaestacas en voladizo. Generalidades 457 Tablaestacas en voladizo en suelos arenosos 458 Casos especiales de muros en voladizo (en suelo arenoso) 464 Tablaestaca en voladizo en arcilla 469 Casos especiales de tablaestacas (en arcilla) 473 Muro con tablaestaca anclada. Generalidades 476 Mtodo del soporte libre para tablaestacas en suelo arenoso 477 Cartas de diseo para el mtodo de soporte libre (en suelo arenoso) 480 Reduccin del momento en muros con tablaestacas ancladas 486 Mtodo del soporte libre en arcilla 490 Mtodo del diagrama computacional de presin (en suelo arenoso) 493 Mtodo del soporte de empotramiento en suelo arenoso 497 Observaciones de campo para muros con tablaestacas ancladas 501 Anclas. Generalidades 504

xll

Contenido

8.17 8.18 8.19

Capacidad de sostenimiento de placas de anclaje y vigas en arena 506 Resistencia ltima de placas de anclaje y vigas en arcilla (condicin iP = O) 515 Resistencia ltima de tirantes 519519

Cortes apuntalados

8.20 Cortes apuntalados. Generalidades 519 8.21 Envolvente de presin para el diseo de cortes apuntalados 521 8.22 ' Diseo de las diversas componentes de un corte apuntalado 525 8.23 Levantamiento del fondo de un corte en arcilla 534 8.24 Estabilidad del fondo de un corte en arena 539 8.25 Cedencia lateral de tablaestacas y asentamiento del terreno 542 8.26 Casos estudio de cortes apuntalados 546 Problemas 556 Referencias 561

CAPTULO 9

Cimentaciones con pilotes9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9. 7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 9.13 9.14 9.15 9.16 9.17 9.18 9.19 9.20 9.21 9.22 9.23 9.24

564

Introduccin 564 Tipos de pilotes y sus caractersticas estructurales 566 Estimacin de la longitud del pilote 574 Instalacin de pilotes 575 Mecanismo de transferencia de carga 578 Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote 581 Mtodo de Meyerhof; Estimacin de Qp 584 Mtodo de Vesic; Estimacin de Qp 587 Mtodo de Janbu; Estimacin de Qp 588 Mtodo de Coyle y Castello. Estimacin de Qp en arena 589 Resistencia por friccin (Qs) en arena 590 Resistencia por friccin (superficial) en arcilla 593 Comentarios generales y capacidad admisible de un pilote 597 Capacidad de carga por punta de pilotes sobre roca 598 Pruebas de carga en pilotes 605 Comparacin de la teora con los resultados de las pruebas de carga en campo 608 Asentamiento de pilotes 615 Resistencia por extraccin de pilotes 618 Pilotes cargados lateralmente 623 Frmulas para el hincado de pilotes 637 Friccin superficial negativa 643648

Grupo de pilotes

Eficiencia del grupo 648 Capacidad ltima de un grupo de pilotes en arcilla saturada 655 Pilotes en roca 657

Contenido

xlll

9.25 Asentamiento por consolidacin de un grupo de pilotes 659 9.26 Asentamiento elstico de un grupo de pilotes 663 9.27 Capacidad. por levantamiento de un grupo de pilotes 664 Problemas 666 Referencias 670

'

CAPTULO 10

Cimentaciones con pilas perforadas y con cajones10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10 10.11 10.12Cajones

674

Introduccin 674675

Pilas perforadas

Tipos de pilas perforadas 675 Procedimientos de construccin 676 Otras consideraciones de diseo 679 Mecanismo de transferencia de carga 680 Estimacin de la capacidad de carga. Generalidades 682 Pilas perforadas en arena. Capacidad de carga 683 Pilas-perforadas en arcilla. Capacidad de carga 695 Asentamiento de pilas perforadas bajo carga de trabajo 702 Capacidad de levantamiento de pilas perforadas 704 Capacidad de carga lateral 709 Pilas perforadas prolongadas hasta la roca 711715

10.13 Tipos de cajones 715 10.14 Espesor del sello de concreto en cajones abiertos 718 Problemas 722 Referencias 727

CAPTULO 11

Cimentaciones sobre suelos difciles11.1 11.2 11,3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12Introduccin 728728 Suelo colapsable

728

Definicin y tipos de suelos colapsables 728 Parmetros fsicos para identificacin 729 Procedimiento para calcular el asentamiento de colapso 733 Diseo de cimentaciones en suelos no susceptibles a humedecerse 734 Diseo de cimentaciones en suelos susceptibles a la humedad 736 Casos histricos de estabilizacin de suelos colapsables 737739

Suelos expansivos

Suelos expansivos. Generalidades 739 Mediciones de la expansin en laboratorio 740 Clasificacin de suelos expansivos con base en pruebas ndice 746 Consideraciones de cimentacin para suelos expansivos 746 Construccin sobre suelos expansivos 752

xiv

Contenido

Rellenos sanitarios 757 11.13 Rellenos sanitarios. Generalidades 757 11.14 Asentamiento de rellenos sanitarios 757 Problemas 759 Referencias 761

CAPTULO 12

Mejoramiento del suelo y modificacin del terreno12.1 12.2 12.3 12.4

764

Introduccin 764 Compactacin. Principios generales 765 Mtodo de un punto para obtener 'Xt 768 Correccin para la compactacin de suelos con partculas de sobretamao 772 12.5 Compactacin en campo 772 12.6 Control de la compactacin para barreras hidrulicas de arcilla 777 12.7 Vibroflotacin 781 12.8 Precompresin. Consideraciones generales 788 12.9 Drenes de arena 796 12.10 Ejemplo de la aplicacin de un dren de arena 803 12.11 Drenes verticales prefabricados (PVDs) 807 12.12 Estabilizacin con cal 807 12.13 Estabilizacin con cemento 813 12.14 Estabilizacin con ceniza voltil 815 12.15 Columnas de piedra 815 12.16 Pilotes de compactacin de arena 819 12.17 Compactacin dinmica 820 Problemas 825 Referencias 827

APNDICESApndice A Factores de conversin .829 A.1 Factores de conversin de unidades inglesas a unidades SI 829 A.2 Factores de conversin de unidades SI a unidades inglesas 830 Apndice B Capacidad de carga de cimentaciones superficiales 832 Apndice C Secciones de tablaestacas 836 Apndice D Cimentaciones con pilotes 838 Apndice E Curvas de diseo para drenes verticales prefabricados (PVDs) 846 Respuestas a problemas seleccionados ndice 855 850

PREFACIO

La primera edicin de Principios de la ingeniera de cimentaciones, publicada en 1984, se proyect como un texto para estudiantes de la licenciatura de ingeniera civil, el cual fue bien recibido por los estudiantes e ingenieros practicantes de la geotecnia. Su entusiasmo y comentarios ayudaron a desarrollar la segunda edicin en 1990, la tercera en 1995 y finalmente esta cuarta edicin del texto. El ncleo del texto original no cambi en forma considerable. Existen slo algunos reordenamientos del contenido en esta edicin respecto a la anterior. Se tienen ahora 12 captulos y 5 apndices. Se da a continuacin un resumen de los cambios: El captulo 1 cambi su nombre a "Propiedades geotcnicas del suelo y refuerzo del suelo", adems agreg una breve vista general de los materiales para refuerzo del suelo como franjas metlicas galvanizadas, geotextiles y geomallas. Detalles de la prueba del presurmetro y de la prueba del dilatmetro de placa plana se agregaron al captulo 2. El captulo 3 contiene ahora slo las teoras y aplicaciones de la capacidad de carga ltima de cimentaciones superficiales. Las relaciones para la capacidad de carga ltima de cimentaciones sobre la parte superior de un talud y los desarrollos recientes sobre la capacidad de carga ltima de cimentaciones superficiales en suelos reforzados con geotextiles y geomallas se incluyen ahora en este captulo. La capacidad de carga admisible de cimentaciones superficiales, incluyendo aquellas sobre tierra reforzada, basadas en criterios' de asentamiento admisible, se presentan ahora en el captulo 4. El material presentado en el captulo 5 de la tercera edicin se da ahora en los captulos 6 y 7. El captulo 6 contiene las teoras de presin lateral de tierra y el captulo 7 contiene los principios de diseo de muros de retencin incluyendo muros de tierra mecnicamente estabilizados. Los materiales sobre tablaestacas y cortes apuntalados presentados en los captulos 6 y 7, respectivamente, de la tercera edicin estn ahora combinados en uno slo (captulo 8) bajo el tema de tablaestacas. Como el texto introduce a los estudiantes de ingeniera civil a los conceptos fundamentales del anlisis y diseo de cimentaciones, las derivaciones matemticas de algunas ecuaciones no se presentan; ms bien, se dan las formas finales de tales ecuaciones. Sin embargo, se incluye en cada captulo una lista de referencias para mayor informacin y estudio. En la preparacin del texto se presentan, donde fue posible, mltiples teoras y correlaciones empricas. La razn para presentar diferentes teoras y correlacionesXV

xvl

Prefacio

es familiarizar a los lectores con el desarrollo cronolgico de los temas y con las respuestas obtenidas tericamente con base en diferentes hiptesis. Esto convence a los lectores de que los parmetros de suelos obtenidos de diferentes correlaciones empricas no sern siempre los mismos, siendo algunos mejores que otros para una condicin dada del suelo; debido principalmente a que los suelos rara vez son homogneos, elsticos e istropos. El buen juicio necesario para aplicar apropiadamente las teoras, ecuaciones y grficas para la evaluacin de suelos y diseo de cimentaciones no puede ser sobreenfatizado o completamente enseado por ningn texto. La experiencia de campo debe complementar el trabajo en clase.

ReconocimientosDoy las gracias sobre todo a mi esposa Janice quien fue la principal fuerza impulsora para la terminacin de esta edicin. Ella mecanografi las revisiones y complet las figuras y grficas originales. Quiero expresar tambin mi agradecimiento a Paul C. Hassler (finado) de la Universidad de Texas en El Paso, a Gerald R. Seeley de la Universidad Valparaiso, a Ronald B. McPherson de la New Mexico State University y a Said Larbi-Cherif de Navarro y Associates, de El Paso, Texas, por su ayuda, apoyo y estmulo durante l'preparacin del manuscrito. Quiero dar las gracias adems a Ronald P. Anderson de Tensar Earth Technologies, Inc., y a Henry Ng, ingeniero consultor de El Paso, Texas, por su ayuda en el desarrollo de la cuarta edicin. Deseo tambin dar las gracias a las siguientes personas cuyos tiles comentarios me fueron de gran valor: Para la segunda edicin: M. Sherif Aggour University ofMaryland YongS.Chae Rutgers-The State University Para la tercera edicin: A. G. Altschaeffl Purdue University Jeffrey C. Evans Bucknell University Thomas F. Zimmie Rensselaer Polytechnic Institute Para esta edicin: Yong S. Chae 1 Rutgers- The State University Manjriker Gu,taratne University of South Florida William F. Kane University of the Pacific Samuel Clemence Syracuse University George Gezetas SUNY at Buffalo Norman D. Dennis, Jr. United States Military Academy Steven Perkins Montana State University

AnilMisra University ofMissouri Rodrigo Salgado Purdue University Colby C. Swan University ofIowa

Prefacio

xvll

Kenneth McManis

john P. Turner

'

University ofNew Orleans

University of J-fYoming

Doy las gracias tambin al personal de PWS Publishing Company por su inters y paciencia durante la preparacin y produccin de este texto. Agradecer cualquier sugerencia de estudiantes y profesores para usarse en ediciones posteriores. BrajaM. Das

Sacramento, California

CAPTULO UNO~

PROPIEDADES GEOTECNICAS DEL SUELO Y DEL SUELO REFORZADO1.1" . INTRODUCCION

El diseo de cimentaciones de estructuras tales como edificios, puentes y presas, requiere el conocimiento de factores como: (a) la carga que ser trarlsmitida por la superestructura a la cimentacin; (b) los requisitos del reglamento local de construccin; (e) el comportamiento esfuerzo-deformacin de los suelos que soportarn el sistema, y (d) las condiciones geolgicas del suelo. Para un ingeniero de cimentaciones, los dos ltimos factores son sumamente importantes ya que tienen que ver con la mecnica de suelos. Las propiedades geotcnicas del suelo, como la distribucin del ta.~ao del grano, la plasticidad, la compresibilidad y la resistencia por cortante, pueden ser determinadas mediante apropiadas pruebas de laboratorio. Recientemente, se ha puesto nfasis en la determinacin in situ de las propiedades de resistencia y deformacin del suelo, debido a que as se evita la perturbacin de las muestras durante la exploracin de campo. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias, no todos los parmetros necesarios pueden ser determinados o no por motivos econmicos o de otra ndole. En tales casos, el ingeniero debe hacer ciertas hiptesis respecto a las propiedades del suelo. Para estimar la exactitud de los parmetros del suelo (determinados en el laboratorio y en el c~po o bien supuestos), el ingeniero debe tener un buen conocimiento de los principios'bsicos de la mecnica de suelos. Asimismo, debe ser consciente de que los depsitos de suelo natural sobre los cuales las cimentaciones se construyen, no son homogneos en la mayora de los casos. El ingeniero debe entonces tener un conocimiento pleno de la geologa de la zona, es decir, del origen y naturaleza de la estratificacin del suelo, as como de las condiciones del agua del subsuelo. La ingeniera de cimentaciones es una combinacin de mecnica de suelos, geologa y buen juicio derivado de experiencias del pasado. Hasta cierto punto, puede denominarse un "arte". Para determinar qu cimentacin es la ms econmica, el ingeniero debe considerar la carga de la superestructura, las condiciones del subsuelo y el asentamiento tolerable deseado. En general, las cimentaciones de edificios y puentes puede dividirse en dos principales categoras: (1) superficiales y (2) profundas. Las zapatas aisladas, las zapatas para muros y las cimentaciones a base de losas corridas, son todas superficiales.1

2

CAPTULO UNO

Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado .

En la mayora de stas, la profundidad de empotramiento puede ser igual o menor a tres o cuatro veces el ancho de la cimentacin. Los trabajos con pilotes hincados y pilotes perforados son cimentaciones profundas. stas se usan cuando las capas superiores del terreno tienen poca capacidad de apoyo o carga y cuando el uso de cimentaciones superficiales causar un dao estructural considerable y/o problemas de inestabilidad. Los problemas relativos a cimentaciones superficiales y con losas corridas se vern en los captulos 3, 4 y 5. En el captulo 9 se vern los trabajos con pilotes y en ellO los pilotes perforados. Recientemente aument el uso de refuerzos en el suelo para la construccin y diseo de cimentaciones, muros de contencin, taludes de terraplenes y otras estructuras. Dependiendo del tipo de construccin, el refuerzo es mediante tiras metlicas galvanizadas, geotextiles, georrejillas y geocompuestos. El uso de refuerzos en el diseo de cimentaciones superficiales se presenta en los captulos 3 y 4. El captulo 7 delnea los principios de refuerzo del suelo en el diseo de muros de retencin. Algunas de las propiedades fsicas del refuerzo del suelo se vern en la ltima parte del captulo. Esta parte sirve principalmente como repaso de las propiedades geotcnicas bsicas de los suelos. Incluye temas como distribucin granulomtrica, plasticidad, clasificacin de los suelos, esfuerzo efectivo, consolidacin y parmetros de la resistencia a cortante. Se basa en la suposicin de que el lector ya conoce los conceptos de un curso bsico de mecnica de suelos.

1.2

" " DISTRIBUCION GRANULOMETRICAEn cualquier masa de suelo, los tamaos de los granos varan considerablemente. Para clasificar apropiadamente un suelo se debe conocer su distribucin granulomtrica. La distribucin granulomtrica de suelos de grano grueso es generalmente determinada mediante anlisis granulomtrico por mallas. Para suelo de grano fino, la distribucin granulomtrica puede obtenerse por medio de anlisis granulomtrico con el hidrmetro. En esta seccin se presentan las caractersticas bsicas de esos anlisis. Para descripciones detalladas, consultar cualquier manual de laboratorio de mecnica de suelos (por ejemplo, Das, 1997).

Anlisis granulomtrico por mallasUn anlisis granulomtrico por mallas se efecta tomando una cantidad medida de suelo seco, bien pulverizado y pasndolo a travs de una serie de mallas cada vez ms pequeas y con una charola en el fondo. La cantidad de suelo retenido en cada malla se mide y el por ciento acumulado de suelo que pasa a travs de cada malla es determinado._ Este porcentaje es generalmente denominado el "porcentaje que pasa". La tabla 1.1 contiene una lista de los nmeros de mallas usadas en Estados Unidos y el correspondiente tamao de sus aberturas. Estas mallas se usan comnmente para el anlisis de suelos con fines de clasificacin. El porcentaje que pasa por cada malla, determinado por un anlisis granulomtrico por mallas, se grafica sobre papel semilogartmico, como muestra la figura 1.1. Note que el dimetro del grano D se grafica sobre la escala logartmica y el porcentaje que pasa se grafica sobre la escala aritmtica.

1.2

Distribucin granulomtrica

3

T TABI.:A 1.1Criba no.4 6 8, 10 16 20 30 40 50

Tamaos de cribas U.S. Standard Abertura (mm)4~750

6980 100' 140 170 200 270

3.350 2.360 2.000 1.180 0.850 0.600 0.425 0.300 0.250 0.180 0.150 0.106 0.088 0.075 0.053

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" ~ ~

vertirse en un filamento cuando estn hmedas. Esta propiedad es causada por la presencia de minerales de arcilla tales como la caolinita, la ilita y la montmorilonita. En contraste, algunos minerales como el cuarzo y el feldespato pueden estar presentes en un suelo en partculas de tamao tan pequeo como los minerales de arcilla. Pero sas no tienen la propiedad de cohesin de los minerales arcillosos. Por tanto, se denominan partculas de tamao arcilla y no partculas arcillosas.

1.4 RELACIONES PESO-VOLUMENEn la naturaleza los suelos son sistemas de tres fases que consisten en partculas de suelo slidas, agua y aire (o gas). Para desarrollar las relaciones peso-volumen para un suelo, las tres fases pueden separarse como se muestra en la figura 1.3a. Con base en sta, las relaciones de volumen pueden definirse de la siguiente manera. La relacin de vacos, e, es la relacin del volumen de vacos entre volumen de slidos de suelo en una masa dada de suelo, o

e=donde V. = volumen de vacos V. =volumen de slidos de suelo

v. v.

(1.4)

La porosidad, n, es la relacin del volumen de vacos entre el volumen de la muestra de suelo, on=-

v.V

(1.5)

donde V = volumen total de suelo Adems,

v.V.+v. v. v. -+V. V.e l+e(1.6)

n = V. = _V._.- = ~-V..;;..s=-=- =

V

El grado de saturacin, S, es la relacin del volumen de agua en los espacios vacos entre el volumen de vacos, generalmente expresado en porcentaje, o

1.4

Relaciones peso-volumen

7

Volumen

Peso

11

TT T v.=eVolumen

1v.~rV=1

T Tf ,...-------, r~ w-1-t tPeso(a)

Nota: Va+ Vw + Vs = V Ww+W. = W Volumen

l

ws _l

Peso

wto a

f

WTwG,y.Ws= Gsrw

+_l

Nota: Vw = wGs = Se

j_

(b) Suelo no saturado; Vs Volumen

=1

T v. =e

1 v.~w~rV= 1

.T

~

(e) Suelo saturado; Vs

=1

T FIGURA 1.3 Relaciones peso-volumen\\

\

S(%),;;,\

V:V:w XV

100

(1.7)

donde Vw

= volumen de agua

Note que para suelos saturados, el grado de saturacin es 100%. Las relaciones por peso son el contenido de humedad, peso especfico hmedo, peso especfico seco y peso especfico saturado. stos pueden definirse como sigue:

8

CAPTULO UNO

Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado

Contenido de agua = w(%) = donde Ws = peso de slidos Ww = peso del agua Peso especfico hmedo = y=

:~ X

100

(1.8)

~Ws + Ww

(1.9)

donde W = peso total del espcimen de suelo =

El peso del aire, Wa, en la masa de suelo se supone insignificante. Peso especfico seco = y, =

~s

(1.10)

Cuando una masa de suelo est saturada (es decir, todo el volumen de vacos est lleno de agua), el peso especfico hmedo de un suelo [ec. (1.9)] resulta igual al peso especfico saturado (Ysat). Entonces, r= y sat si V.= Vw. Ms relaciones tiles pueden ahora desarrollarse, considerando una muestra representativa del suelo en el que el volumen de los slidos es igual a la unidad, como se muestra en la figura 1.3b. Note que si Vs = 1, de la ecuacin (1.4), V. = e y el peso de los slidos del suelo es

Ww

= GsYw

donde Gs = peso especfico de los slidos del suelo 'Yw =peso especfico del agua (9.81 kN/m3 , o 62.4lb/pies3) De la ecuacin (1.8), el peso del agua Ww = wW5 Entonces, para la muestra del suelo bajo consideracin, Ww = wWs = wGsYw Ahora, para la relacin general para el peso unitario hmedo dado en la ecuacin (1.19),

y -W - Ws + Ww - Gsrw(l + w) -V-Vs+V.1+eSimilarmente, el peso especfico seco [ec. (1.10)] es=---

(1.11)

Gsrw

(1.12)

1+e

De las ecuaciones (1.11) y (1.12), note que

Xt-1+wSi una muestra de suelo est saturada; como se muestra en la figura 1.3c,

-

r

(1.13)

V.= e

1.5

Compacidad relativa

9

Tambin, para este caso

V:V = Ww= wGsrw = Yw YwEntonces

W

GS

e = wGs (nicamente para suelo saturado)El peso especfico saturado del suelo es

(1.14)

Ws + Ww GsYw + erw Ysat= Vs+Vv = 1+e

(1.15)

Relaciones similares a las ecuaciones (1.11), (1.12) y (1.15) en trminos de porosidad, tambin se obtienen considerando una muestra de suelo representativa con volumen unitario. Esas relaciones son

Y= Gsrw (1-n) (1 + w)Ytt = (1-n) Gsrw Ysat = [(1-n) Gs + n]yw

(1.16) (1.17) (1.18)

La tabla 1.3 proporciona varias relaciones tiles para y, y, y Ysat Excepto para la turba y en suelos altamente orgnicos, el rango general de los valores del peso especfico de los slidos de los suelos (Gs) encontrados en la naturaleza es bastante pequeo. La tabla 1.4 proporciona algunos valores representativos. Para fines prcticos, un valor razonable puede ser supuesto en vez de realizar una prueba. La tabla 1.5 presenta algunos valores representativos para la relacin de vacos, del peso especfico seco y del contenido de agua (en estado saturado) de algunos suelos en estado natural. Note que en la mayora de los suelos no cohesivos, la relacin de vacos vara entre 0.4 y 0.8. Los pesos especficos secos en esos suelos caen generalmente dentro de un rango de aproximadamente 90 a 120 lb/pies3 (14-19lr.N/m3).

1.5

COMPACIDAD RELATIVAEn suelos granulares, el grado de compactacin en el campo puede medirse de acuerdo con la compacidad relativa, Cr, que se define como

C,(%) =

emx- e emx-emn

X

100

(1.19)

donde

emx = relacin de vacos del suelo en el estado ms sueltoemn

= relacin de vacos en el estado ms denso

e = relacin de vacos in situ

10

CAPTULO UNO~

Prop~dades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado

TABLA 1.3

Varias formas de relaciones para y, YdY 'Ysat

1.5

Compacidad relativa

11

'f TABLA 1.4

Pesos especficos de slidos de algunos suelos

A.6J.;-2.13YeSO"

"2S0-'"2.9 "" 2.60,::2.75

LoesTurbo"

z:6s~2~73

/1.3Q"-l.9

'f TABLA 1.5

Relacin de vacos, contenido de agua y peso especfico seco, tpicos para algunos suelosContenido de agua natural Relacin de en condicin vacos e saturada (%)l!ts>

Tipo de suelo

Peso especfico seco, yd -------(lb/pie 3) (kN/m 3)9"2 115 162 120 10873~92

Arena uniform suelta Arena uniforme densa Arena limosa suelta de grno auguloso Arena limosa densa de grano angulmo Arcilla dur Arcilla suave Loes Arcilla orgnica suave Morrena glacial

6.'45 6.65 6.4 6.6 0.9-1.4 ' 6.9 2.5-3.2 0.3

36 16 25 .15 21 36--,50 25 96-120 10

86 38-51 134

14.5 18 16 19 17 11.5-14.5 13.5 6"-8 21

Los valores de emx se determinan en laboratorio de acuerdo con los procedimientos establecidos en las Normas ASTM de la American Society for Testing and Materials (1997, designacin de la prueba: D-4254). La densidad relativa puede tambin expresarse en trminos del peso especfico seco, oe,(%)= { 'Xt- 'Xt 7, y lnites de Atterberg en o arriba de la lnea A (figura l. 7) F200 > 12, LL < 50, 4 ::; PI::; 7, y lnites de Atterberg en o arriba de ll!,, Jmea ~, ,, 5 ::; F2oo ::;; 12; cumple los'criterios d.e graduacin .de GW y lO!> criteriosde plasticidad ~ GM 5 ::;; F200 ::; 12; CUlllPle lo criterios qe grad~cin de GW y los criterios de plaSticidad de GC 5 ::;; F2oo ::;; 12;: cumple los' criterios de graduacin , de GP y los criterios de plasticidad de GM 5 ::; F200 ::; 12; cumple los ~terios graduacin deGP y los criteriOs de Plasticidu:l'd Ge Suelo arenoso, F200 < 5,C. ; C:.::;3 R4 :>;0.5~oo F2oo 12, PI>'l, ylnitesdeAtterberg sobre o atn'ba de la'liell.A(figura 1.7) F2oo > 12, LL > 50,, 4 ::;; PI:;;;,7, y lnites de Atterberg sobre o arriba 'de l lnea A (figura l. 7) 5 ::; F200::; 12; cumple los criterios de graduacin de SW y los criterios de plasticidad de SM 5 ::; F2oo ::;; 12; cumple los criterios de graduacin de sw y los criterids de plasticidad de se ' 5 ::; F200::; 12; cuinple los criterio$ de graduacin de SP y los criterios de plasticidad de SM 5 ::;; F20o ::;; 12; cumple los criterios de graduacin de SP y los criterios de plasticidad de se Suelo de grano fino Pl < 4, o lmites de Atterberg (inorgnico), ~oo ::; 50 debajo de la lnea A (figur(ll. 7) Suelo limoso y arcilloso, Pl> 7, y lmites de Atterberg sobre o arriba de la lnea A (figura l. 7) , LL 0.5R00

F200 < 5, c.