Mecánica de suelos y cimentaciones capítulo 1

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Mecánica de Suelos y Cimentaciones

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Mecánica de suelos y cimentaciones capítulo 1

  1. 1. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES CAPITULO 1: CARACTERIZACION DE LOS SUELOS
  2. 2. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ INDICE CAPITULO 1: CARACTERIZACION DE LOS SUELOS1 CARACTERIZACION DE LOS SUELOS ................................................................ 3 1.1 Suelos y rocas: origen del suelo ......................................................................... 3 1.2 Propiedades físicas y clasificación de los suelos ............................................... 6 1.3 Reconocimiento del terreno .............................................................................. 15 1.3.1 Investigación in situ..................................................................................... 16 1.3.2 Ensayos de laboratorio ............................................................................... 43 1.4 Esfuerzos en una masa de suelo: presiones normales y tangenciales ............ 47 1.4.1 Concepto de esfuerzo efectivo en un sistema de particulas....................... 47 1.4.2 Esfuerzos geostáticos ................................................................................. 49 1.4.3 Esfuerzos producidos por las cargas aplicadas.......................................... 52 1.4.4 Tensión Plana ............................................................................................. 58 1.4.5 Tensiones Principales y Tensiones Tangenciales máximas....................... 66 1.4.6 Círculo de Mohr para tensión plana ............................................................ 73 1.4.7 Tensión Triaxial........................................................................................... 88 1.5 Resistencia al esfuerzo cortante....................................................................... 90 1.5.1 Parámetros de resistencia en presiones efectivas...................................... 92 1.5.2 Parámetros de resistencia en condiciones sin drenaje............................... 94 1.6 Relaciones tensión-deformación....................................................................... 95 1.6.1 Conceptos de la teoría de elasticidad ......................................................... 98 1.6.2 Comportamiento en compresión confinada .............................................. 100 1.6.3 Consolidación. Consideraciones generales .............................................. 102 1.6.4 Cálculo de asentamientos por consolidación............................................ 107 1.6.5 Tasa de por consolidación ........................................................................ 109 2
  3. 3. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ1 CARACTERIZACION DE LOS SUELOS1.1 Suelos y rocas: origen del sueloLa mayoría de los suelos que cubren la tierra están formados por la meteorización delas rocas. Los geólogos emplean el término meteorización de las rocas para describirtodos los procesos externos, por medio de los cuales la roca experimentadescomposición química y desintegración física, proceso mediante el cual masas deroca se rompen en fragmentos pequeños. Esta fragmentación continua es un merocambio físico y por eso se llama también meteorización mecánica. Por otra parte, lameteorización química de una roca es un proceso de descomposición, mediante elcual los minerales constitutivos de rocas allí presentes cambian de composiciónquímica. En la descomposición, los minerales persistentes se transforman enminerales de composición y propiedades físicas diferentes. Es preciso indicar que ladesintegración física completa la descomposición, ya que los minerales y partículasrocosas de menor tamaño producidos por meteorización mecánica son mucho mássusceptibles al cambio químico que los granos minerales firmemente soldados engrandes masas de roca compacta.La meteorización mecánica es el proceso por el cual las rocas se fracturan en piezasde menor tamaño bajo la acción de las fuerzas físicas, como la corriente de agua delos ríos, viento, olas oceánicas, hielo glacial, acción de congelación, además deexpansiones y contracciones causadas por ganancia y pérdida de calor.La meteorización química es el proceso de descomposición química de la rocaoriginal. Entre los distintos procesos de alteración química pueden citarse: lahidratación (paso de anhidrita a yeso), disolución (de los sulfatos en el agua),oxidación (de minerales de hierro expuestos a la intemperie), cementación (por aguaconteniendo carbonatos), etc.Por ejemplo, la meteorización química de los feldespatospuede producir minerales arcillosos.Muy relacionada con la meteorización química se encuentra la meteorizaciónbiológica, producida fundamentalmente por la actividad bacteriana, originandoputrefacciones en materiales orgánicos.La acción conjunta o individual de estos procesos de meteorización da lugar a un perfilde meteorización de la roca en función de la profundidad (ver figura adjunta). En esteperfil la roca sana ocupa la zona más profunda, transformándose gradualmente asuelo hacia la parte más superficial. 3
  4. 4. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Figura 1: Perfil de meteorización, según diversas fuentesAsí, por ejemplo, la observación de una trinchera recién abierta (una excavación parauna carretera, una pared de cantera, etc.), a menudo revelará una sucesión de capasde diferentes materiales térreos. En la base del afloramiento puede haber rocacompacta, denominada roca firme; se encuentra todavía en su lugar de origen y estárelativamente poco modificada. La roca firme suele presentar innumerables grietas,denominadas juntas o diaclasas, que son consecuencia de esfuerzos principalmenteasociados a una historia anterior de procesos tectónicos. Allí donde existen familias dejuntas que se cruzan, la roca firme se desintegra fácilmente en bloques.Por encima de la roca firme puede haber una capa de materia mineral blanda,denominada regolita. (El prefijo rego viene de la palabra griega que significa “manto”.)La regolita puede formarse in situ por descomposición y desintegración de la rocafirme inmediatamente subyacente; este tipo se denomina regolita residual o sueloresidual. Si esta capa de partículas minerales relativamente sueltas o blandas,dispuestas sobre la roca firme, es transportada por agentes tales como corrientes deagua, hielo, viento, olas…, recibe el nombre de regolita transportada o suelosedimentario.Suelos residualesLos suelos residuales se originan cuando los productos de la meteorización de lasrocas no son transportados como sedimentos, sino que se acumulan in situ. Si lavelocidad de descomposición de la roca supera a la de arrastre de los productos dedescomposición, se produce una acumulación de suelo residual. Entre los factores queinfluyen sobre la velocidad de alteración en la naturaleza de los productos demeteorización están el clima (temperatura y lluvia), el tiempo, la naturaleza de la rocaoriginal, la vegetación, el drenaje y la actividad bacteriana. Los suelos residualessuelen ser más abundantes en zonas húmedas, templadas, favorables al ataquequímico de las rocas y con suficiente vegetación para evitar que los productos demeteorización sean fácilmente arrastrados.Suelos sedimentariosLa formación de los suelos sedimentarios puede explicarse más adecuadamenteconsiderando la formación, el transporte y el depósito de los sedimentos. 4
  5. 5. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZEl modo principal de la formación de sedimentos lo constituye la meteorización física yquímica de las rocas en la superficie terrestre. En general, las partículas de limo, arenay grava se forman por la meteorización física de las rocas, mientras que las partículasarcillosas proceden de la alteración química de las mismas.Los sedimentos pueden ser transportados por cualquiera de los cinco agentessiguientes: agua, aire, hielo, gravedad y organismos vivos. El transporte afecta a lossedimentos de dos formas principales: a) modifica la forma, el tamaño y la textura delas partículas por abrasión, desgaste, impacto y disolución; b) produce unaclasificación o graduación de las partículas.Después de que las partículas se han formado y han sido transportadas se depositanpara formar un suelo sedimentario. Las tres causas principales de este depósito en elagua son la reducción de la velocidad, la disminución de la solubilidad y el aumento deelectrolitos. Cuando una corriente de agua desemboca en un lago, océano, etc., pierdela mayor parte de su velocidad. Disminuye así la fuerza de la corriente y se produceuna sedimentación. Cualquier cambio en la temperatura del agua o en su naturalezaquímica puede provocar una reducción en la solubilidad de la corriente, produciéndosela precipitación de algunos de los elementos disueltos. Figura 2: Esquema del proceso de formación de los suelosPor tanto, el suelo es el resultado del proceso de meteorización de las rocas, con o sintransporte de los productos de alteración. Los suelos se caracterizanfundamentalmente por los siguientes aspectos: • Los suelos están formados por partículas pequeñas (desde micras a algunos centímetros) e individualizadas que pueden considerarse indeformables. • Entre estas partículas quedan huecos con un volumen total del orden de magnitud del volumen ocupado por ellas (desde la mitad a varias veces superior). • Un suelo es un sistema multifase (sólida, líquida y gaseosa). • Los huecos pueden estar llenos de agua (suelos saturados), o con aire y agua (suelos semisaturados), lo que condiciona la respuesta de conjunto del material. En condiciones normales de presión y temperatura, el agua se considera incompresible. 5
  6. 6. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ1.2 Propiedades físicas y clasificación de los suelos a) Relaciones peso-volumen Como se mencionó en el apartado anterior, el suelo constituye un sistema de varias fases. La figura siguiente muestra un elemento típico de suelo que contiene 3 fases diferenciables: sólida (partículas minerales), líquida (agua generalmente) y gaseosa (aire o gas). La parte de la izquierda representa las tres fases como podrían presentarse en un elemento de suelo natural. En la parte de la derecha se han separado las tres fases con el fin de facilitar la deducción de las relaciones entre ellas. Los términos que aparecen en la figura anterior representan los siguientes conceptos: V: Volumen total del elemento de suelo Vs: Volumen ocupado por las partículas de suelo Vw: Volumen ocupado por la fase líquida (agua) Vg: Volumen ocupado por la fase gaseosa (aire) Vv: Volumen ocupado por los huecos (fase líquida+fase gaseosa) W: Peso total del elemento de suelo Ws: Peso de las partículas de suelo Ww: Peso de la fase líquida (agua) Wg: Peso de la fase gaseosa (aire)≈ 0 Las expresiones que relacionan las distintas fases son las siguientes: 6
  7. 7. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Relaciones en volumen Vv Indice de huecos o poros: e= Vs Vv Porosidad: n= V Vw Grado de saturación: S= Vv Las relaciones entre el índice de huecos y la porosidad son las siguientes: Vv Vv Vv n e= = = V = Vs V − Vv V Vv 1 − n − V V Vv V Vv Vs e n= v = = = V Vs + Vv Vs Vv 1 + e + V s Vs Relaciones en peso Ww Humedad: w= Ws Ws Peso específico de las partículas sólidas: γs = Vs Ww Peso específico del agua: γw = Vw Peso específico seco: Ws Ws γ γd = = = s V V s + Vv 1 + e Peso específico aparente: W Ws + Ww γ s + wWs γ s + wγ sVs 1 + w γ ap = = = = = γ s = γ d (1 + w) V V s + Vv 1+ e 1+ e 1+ e Peso específico saturado (Vv = Vw =e) Ws + Ww γ s + eγ w γ sat = = V s + Vv 1+ e 7
  8. 8. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ b) Densidad o compacidad relativa Una magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelo granular es la densidad relativa, definida como: emax − e γ γ − γ d ,min Dr = x100 = d ,max x d x100 emax − emin γd γ d ,max − γ d ,min Siendo: emax: Indice de huecos del suelo en el estado más suelto emin: Indice de huecos del suelo en el estado más denso e: Indice de huecos in situ γd: Peso específico seco in situ γd,max: Peso específico seco en el estado más denso (emin) γd,min: Peso específico seco en el estado más suelto (emax) En la tabla siguiente se indican las denominaciones de la compacidad de los suelos granulares a partir de su densidad relativa: Densidad relativa (%) Denominación 0-15 Muy suelto 15-35 Suelto 35-65 Medio 65-85 Denso 85-100 Muy denso c) Granulometría En cualquier masa de suelo, los tamaños de las partículas varían considerablemente. Para clasificar apropiadamente un suelo se debe conocer su distribución granulométrica, es decir, la distribución, en porcentaje, de los distintos tamaños dentro del suelo. La distribución granulométrica de partículas de tamaño superior a 0,08 mm. se determina generalmente mediante un análisis granulométrico por tamizado. Para partículas de tamaño inferior al mencionado (0,08 mm.) se emplea la granulometría por sedimentación. El análisis granulométrico por tamizado se efectúa tomando una cantidad medida de suelo seco, bien pulverizado y pasándolo a través de una serie de tamices (cuyo tamaño de malla suele ir disminuyendo en progresión geométrica de razón 2), agitando el conjunto. La cantidad de suelo retenido en cada tamiz se pesa y se determina el porcentaje acumulado de material que pasa por cada tamiz. El porcentaje de material que pasa por cada tamiz, determinado de la forma anterior, se representa en un gráfico semilogarítmico. El diámetro de la partícula se representa en una escala logarítmica (abscisas), y el porcentaje de material que pasa se representa en escala aritmética (ordenadas). En la figura siguiente se muestra un ejemplo de esta curva. 8
  9. 9. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Una vez determinada dicha curva granulométrica, existen dos coeficientes que se utilizan para una mejor descripción de la granulometría de un suelo. Estos coeficientes son: D60 Coeficiente de uniformidad: Cu = D15 2 D30 Coeficiente de curvatura: Cc = D60 D10 El coeficiente de uniformidad representa la relación entre el diámetro correspondiente al tamiz por el que pasa un 60% de material y el diámetro correspondiente al tamiz por el que pasa un 10%. Si Cu es menor que 5, el suelo tiene una granulometría uniforme. Si 5<Cu<20, el suelo es poco uniforme; y si Cu>20, se considera bien graduado. Cuanto más uniforme es el suelo, más uniforme es el tamaño de sus huecos y más difícil es su compactación, al no existir una cierta variación de tamaños que rellenen adecuadamente los huecos. El coeficiente de curvatura, también llamado de graduación, ha de adoptar valores entre 1 y 3 para considerar al suelo bien graduado. Se determina dividiendo el cuadrado del diámetro correspondiente al tamiz por el que pasa un 30% del material, entre el producto de los diámetros correspondientes a los tamices por los que pasa un 60% y un10% del material. El análisis granulométrico por sedimentación (partículas de tamaño inferior a 0,08 mm.) se lleva a cabo con el hidrómetro (ver figura adjunta), y se basa en el principio de la sedimentación de las partículas de suelo en agua. Los hidrómetros están calibrados para mostrar la cantidad de suelo que está aún en suspensión en cualquier tiempo dado, t. Así, con lecturas tomadas en tiempos diferentes en el hidrómetro, el porcentaje de suelo más fino que un diámetro dado puede calcularse y prepararse una gráfica de la distribución granulométrica. 9
  10. 10. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Con los dos métodos de análisis granulométrico expuestos puede determinarse la curva granulométrica completa de una muestra de suelo (ver curvas granulométricas adjuntas). En función de la granulometría se clasifican los suelos en cuatro grandes grupos: • Gravas, con tamaño de grano entre unos 80 mm. y 4,75 mm. Los granos son observables directamente, existen grandes huecos entre las partículas y no retienen el agua. • Arenas, con partículas de tamaño entre 4,75 mm. y 0,075 mm. Estas son observables a simple vista y se mantienen inalterables en presencia de agua. • Limos, con partículas comprendidas entre 0,075 mm. y 0,002 mm. Retienen el agua y si se forma una pasta limo-agua y se coloca sobre la mano, al golpear con la mano se aprecia cómo el agua se exhuda con facilidad. • Arcillas, cuyas partículas tienen tamaños inferiores a 0,002 mm. Son partículas de tamaño gel y están formadas por minerales silicatados, constituidos por cadenas de elementos tetraédricos y octaédricos, unidas por enlaces covalentes débiles y pudiendo entrar las moléculas de agua entre las cadenas, produciendo aumentos de volumen, a veces muy importantes. Por tanto, presentan una gran capacidad de retención de agua, con un porcentaje de huecos muy elevado (huecos pequeños pero con una gran superficie de absorción en las partículas). Debido a que el tamaño de los huecos es muy pequeño (aunque el índice de huecos es elevado), exhiben unos tiempos de expulsión de agua muy elevados y una permeabilidad muy baja. d) Plasticidad Cuando un suelo arcilloso se mezcla con una cantidad excesiva de agua, éste puede fluir como un semilíquido. Si el suelo se seca gradualmente, se comportará como un material plástico, semisólido o sólido, dependiendo de su contenido de agua. 10
  11. 11. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Los contenidos de humedad y los puntos de transición de unos estados a otros se denominan Límites de Atterberg. El concepto de que un suelo puede presentarse en varios estados, en función del contenido de humedad, se basa en que cuanto mayor sea la cantidad de agua que contiene un suelo, menor será la interacción entre partículas adyacentes y más se aproximará el comportamiento del suelo al de un líquido (ver esquema adjunto). Esta variación de la consistencia en función de la humedad (plasticidad) es propia de suelos finos (arcillas y limos), ya que los suelos gruesos (arenas y gravas) no retienen agua y se mantienen inalterables en presencia de ésta. Mezcla fluida de agua y suelo Estado Líquido Límite líquido: LL ó wL Estado Plástico Humedad creciente Límite Plástico: LP ó wP Estado Semisólido Límite de Retracción: LS ó wS Estado Sólido Suelo seco La determinación de los Límites de Atterberg se lleva a cabo en laboratorio, definiéndose el límite plástico como el contenido de agua con el cual el suelo se agrieta al formarse un rollito de 3 mm. de diámetro. El límite líquido se determina con la cuchara de Casagrande. La diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo se define como Indice de Plasticidad: IP= LL-LP El índice de liquidez se define como: wn − wP IL = wL − wP wn: humedad natural 11
  12. 12. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ El índice de plasticidad indica la magnitud del intervalo de humedades en el cual el suelo posee consistencia plástica, mientras que el índice de liquidez indica la proximidad de la humedad natural del suelo al límite líquido. Con el fin de proporcionar una representación adecuada de la plasticidad de una muestra de suelo se emplea la denominada Carta de plasticidad de Casagrande (ver figura adjunta). En este gráfico se representa la relación del límite líquido (abscisas) con el índice de plasticidad (ordenadas). Casagrande definió que los suelos con LL>50 son de “alta plasticidad” (pueden admitir un mayor contenido de agua y por tanto pueden experimentar deformaciones plásticas mayores). Los suelos con LL<50 se denominan de “baja plasticidad”. Complementariamente, Casagrande definió una línea A, que separa los suelos arcillosos de los más limosos. Así, a partir del 12
  13. 13. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ criterio de alta y baja plasticidad y de la línea A, se pueden definir varias zonas en el gráfico anterior. Los suelos limosos y con apreciable contenido orgánico tienen un intervalo de humedad menor para pasar del estado semisólido al estado líquido (menor índice de plasticidad), situándose por debajo de la línea A. En el caso de las arcillas, dicho intervalo de humedad es mayor, situándose por encima de la línea A. Se definen, por tanto, varios tipos de suelos: arcillas de alta plasticidad (CH), arcillas de baja plasticidad (CL), limos y suelos orgánicos de alta plasticidad (MH-OH) y limos y suelos orgánicos de baja plasticidad (ML-OL). e) Clasificación de suelos Con el objeto de dividir los suelos en grupos de comportamiento semejante, con propiedades geotécnicas similares, surgen las denominadas clasificaciones de suelos. La clasificación de suelos consiste, pues, en incluir un suelo en un grupo que presenta un comportamiento semejante. La correlación de unas ciertas propiedades con un grupo de un sistema de clasificación suele ser un proceso empírico puesto a punto a través de muchos años de experiencia. La mayoría de las clasificaciones de suelos utilizan ensayos muy sencillos, para obtener las características del suelo necesarias para poderlo asignar a un determinado grupo. Las propiedades ingenieriles básicas que suelen emplear las distintas clasificaciones son la distribución granulométrica, los Límites de Atterberg, el contenido en materia orgánica, etc. Los dos sistemas principales de clasificación de suelos actualmente en uso son el sistema AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) y el USCS (Unified Soil Classification System). El primero se usa principalmente para la evaluación cualitativa de la conveniencia de un suelo como material para la construcción de explanadas de carreteras. El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) fue propuesto inicialmente por Casagrande en 1942 y después revisado por el Bureau of Reclamation de Estados Unidos y por el Cuerpo de Ingenieros. Este sistema es el más extendido para la amplia variedad de problemas geotécnicos. El sistema USCS clasifica los suelos en base a su granulometría, los Límites de Atterberg y el contenido en materia orgánica. A continuación se muestra dicha clasificación, junto con los símbolos empleados en la misma, así como una descripción de las propiedades esperables de los grupos diferenciados. 13
  14. 14. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ 14
  15. 15. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ1.3 Reconocimiento del terrenoDada la muy diversa problemática que puede derivarse tanto de la finalidad previstainicialmente de la investigación, como de las condiciones geotécnicas del terreno, escomplicado establecer unas recomendaciones de detalle para cada una de lasdistintas situaciones que podrían llegar a plantearse.Partiendo de la identificación de necesidades que ha de figurar expresamente en elInforme Geotécnico Preliminar, se debe estudiar el modo de satisfacerlas de la formamás adecuada teniendo presente las distintas técnicas de reconocimiento disponibles. 15
  16. 16. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZLa elección del método de reconocimiento más adecuado en cada caso, la posición delos puntos en los que efectuar los trabajos de campo, profundidad a alcanzar con losreconocimientos, ensayos de muestras, ensayos especiales, etc, será competencia delos técnicos responsables del trabajo al que está destinado el reconocimiento.A continuación se indican las técnicas de reconocimiento normalmente empleadas enla investigación del terreno.1.3.1 Investigación in situ A) Calicatas Consisten en excavaciones de formas diversas (pozos, zanjas, rozas, etc.), realizadas mediante medios mecánicos convencionales, que permiten la observación directa del terreno a cierta profundidad, así como la toma de muestras y la realización de ensayos in situ. Este tipo de reconocimiento del terreno permite acceder directamente al terreno para tomar datos litológicos del mismo, así como tomar muestras de gran tamaño para la realización de ensayos. Este tipo de excavaciones presentan las siguientes limitaciones: • Profundidad de reconocimiento moderada (<4 ó 5 m.) • Los terrenos han de ser excavables con medios mecánicos. • Ausencia de nivel freático o, al menos, aportaciones de agua moderada en terrenos de baja permeabilidad. • Ausencia de instalaciones, conducciones, cables, etc. • Deben evitarse cuanto puede deteriorarse el terreno de apoyo de las futuras cimentaciones o cuando puedan crearse problemas de inestabilidad en estructuras próximas. Los resultados de este tipo de reconocimientos se registran en estadillos en los que se indica la profundidad, descripción litológica, discontinuidades, presencia de filtraciones, situación de las muestras tomadas y fotografías. B) Sondeos mecánicos Son perforaciones de pequeño diámetro que permiten reconocer la naturaleza y localización de las diferentes capas del terreno. Dichas perforaciones pueden realizarse a presión (suelos blandos), percusión (gravas, materiales cementados) o rotación (rocas, suelos duros), con diámetros que oscilan habitualmente entre 65 mm. y 140 mm. y que sirven para la extracción y reconocimiento del terreno (testigos), para la obtención de muestras del terreno mediante útiles apropiados (tomamuestras) y para la realización de algunos ensayos in situ. En suelos no muy duros con cierta cohesión, se emplean a veces los sondeos helicoidales con barrena maciza o hueca, sobre todo cuando sólo se requieren muestras alteradas. Eventualmente también pueden extraerse muestras inalteradas si el terreno se mantiene estable sin entubación o a través de las barrenas huecas. En un sondeo a rotación el sistema de perforación consta de lo siguientes elementos integrados en las baterías: corona de corte, manguito portaextractor, extractor, tubo portatestigo y cabeza. La cabeza es la pieza de unión entre el tubo portatestigo (donde se recoge el testigo que se extrae en la perforación) y el varillaje que le transmite el movimiento de rotación y empuje ejercido por la 16
  17. 17. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ máquina de perforación. El manguito porta extractor aloja un muelle (extractor) que sirve para cortar el testigo al sacarlo y no dejar que se desprenda durante la maniobra de extracción. La corona es el elemento perforador que se emplea en el sondeo y cuyos útiles de corte pueden ser de widia (carburo de wolframio) o de diamante. Las coronas de widia se emplean en suelos y rocas blandas y las coronas de diamante en rocas duras o muy duras. Las baterías de perforación pueden ser de tubo simple o doble. En el tubo simple, el fluido de perforación lava toda la superficie del testigo. Este efecto y el de la rotación del tubo pueden ocasionar el desmenuzamiento de suelos parcialmente cementados o rocas blandas. Cuando se requieren recuperaciones muy altas se emplea el tubo doble, en el que el fluido de perforación (agua) desciende por el contacto entre ambos tubos. En este caso, sólo puede producirse el lavado del testigo en la base del tubo, en su unión con la corona. El tubo interior va montado sobre rodamientos de bolas que independizan su movimiento del tubo exterior. En el cuadro siguiente se muestran distintos tipos de diámetros de perforación y de testigos, siendo el diámetro de perforación más habitual el NX o superior. Los sondeos con barrena helicoidal se emplean en suelos relativamente blandos y cohesivos, no siendo operativos para suelos duros o cementados. Este tipo de perforación no permite precisiones inferiores a ± 0,50 m. en la localización de los diferentes estratos atravesados. El tipo de muestras que se obtiene en la sonda helicoidal es alterada, aunque es posible en determinadas sondas obtener muestras inalteradas. Las barrenas son de dos tipos, huecas y normales. Las primeras están formadas por un tubo central de mayor diámetro que en las normales, y permiten obtener muestras inalteradas sin extraer a la superficie la maniobra. A lo largo y por el interior de la barrena se instala un varillaje que termina al final de la cabeza helicoidal y lleva una pequeña broca. Estas varillas giran solidariamente con la barrena hueca. Cuando se toma una muestra se extraen las varillas del interior de la barrena, y a continuación se introduce por el interior de la misma un tomamuestras (ver figura adjunta). Los sondeos a percusión se utilizan tanto en suelos granulares como cohesivos, pudiendo atravesar suelos de consistencia firme a muy firme. Las profundidades alcanzadas mediante este sistema rondan los 15-20 m. El sistema de perforación consiste en la hinca de tubos de acero mediante el golpeo de una maza de 120 kg. que cae desde una altura de 1 m. Se deben contar sistemáticamente los golpes necesarios para la penetración de cada tramo de 20 cm., lo que permite conocer la compacidad del suelo atravesado. Las tuberías empleadas, que pueden tener diámetros exteriores de 91, 128, 178 y 230 mm., actúan como entibación durante la extracción de muestras mediante cucharas. Existe otro tipo de métodos especiales de perforación, denominados métodos de perforación a destroza, debido a que en ellos no se obtiene testigo, sino el material triturado que sale por la boca del sondeo. La perforación se puede realizar con trépano, martillo de fondo o rotopercusión y la trituración con tricono. La utilización de uno u otro método depende del tipo de terreno a perforar y del objetivo de la investigación. En general, deben tenerse en cuenta las recomendaciones siguientes: 17
  18. 18. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ -Los sondeos a percusión son preferibles por su calidad, siempre que el terreno pueda atravesarse con la energía disponible. Este método está especialmente indicado para reconocer suelos granulares gruesos, adaptando el diámetro del sondeo al tamaño de las gravas o bolos a atravesar. Normalmente se emplea tubería de hinca o tomamuestras a percusión. En el caso de suelos granulares finos se utilizan cucharas con cierre inferior de clapeta. -Los sondeos a rotación, mediante baterías simples, dobles o especiales pueden utilizarse en cualquier tipo de terreno, aunque pueden existir problemas en el caso de suelos granulares finos bajo el nivel freático y en el caso de bolos o gravas gruesas. -Los sondeos con barrena helicoidal pueden utilizarse cuando: • El terreno es relativamente blando y cohesivo • No existen capas cementadas o de gravas, ni capas arenosas fluyentes bajo el nivel freático. • No es necesario atravesar o penetrar en rocas. • No se requiere una precisión superior a ±0,50 metros en la localización en profundidad de las diferenes capas. • Se puede justificar la calidad de las muestras inalteradas extraídas por el eje hueco de la barrena. -Cuando se conozca suficientemente la naturaleza y propiedades de costras, capas duras o rocosas intercaladas en el espesor de terreno a reconocer pueden utilizarse métodos destructivos como la perforación con trépano, martillo de fondo o percusión, y la trituración con tricono o corona ciega. En la tabla siguiente se resumen de forma muy general los diversos métodos de realizar sondeos mecánicos. 18
  19. 19. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ C.- Ensayos en sondeos Los ensayos más frecuentes realizados en sondeos son los siguientes: C.1.- Ensayo de Penetración Standard (SPT), con cuchara bipartida o puntaza. El Ensayo de Penetración Estándar (SPT, del inglés, standard penetration test) nace en el año 1927, desarrollado por un sondista de la Raymond Concrete Pile Co., quien propuso a Terzaghi contabilizar el número de golpes necesarios para hincar 1 pie (30 cm) el tomamuestras que solía utilizar para obtener muestras en terrenos sin cohesión (arenas). De forma resumida, la realización del ensayo es la siguiente (ver esquema en la figura siguiente): 1. Se ejecuta un taladro hasta la cota deseada y en el fondo del mismo (una vez limpiado cuidadosamente) se introduce un tomamuestras de dimensiones estándar (Figura 1-2) que consta de tres elementos: zapata, tubo bipartido y cabeza de acoplamiento con el varillaje. 2. Se hinca el tomamuestras en el terreno 60 cm, contando en número de golpes necesarios para hincar tramos de 15 centímetros. La hinca se realiza mediante una maza de 63,5 kg (140 libras) que cae desde una altura de 76 cm (30 pulgadas) en una cabeza de golpeo o yunque. La lectura del golpeo del primer y último tramo no se tienen en cuenta, por posible alteración del suelo o derrumbes de las paredes del sondeo en el primer caso y por posible sobrecompactación en el segundo. Los valores de golpeo de los tramos centrales de 15 cm sumados conducen al parámetro N30 SPT o NSPT, denominado también resistencia a la penetración estándar. Cuando el terreno es muy resistente se detiene la prueba para un determinado número de golpes (rechazo, R), anotando la penetración realizada. 19
  20. 20. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ La norma ASTM D1586-84 indica que la prueba se puede dar por finalizada: 1. Cuando se aplican 50 golpes para un tramo de 15 cm. 2. Cuando se aplican 100 golpes en total. 3. Cuando no se observa penetración alguna para 10 golpes. El tomamuestras permite por otro lado recoger una muestra alterada del suelo que posibilita su identificación. Normalmente esta muestra se introduce en un recipiente o bolsa en los que se indican en una etiqueta, además de los datos de la obra, sondeo, profundidad, fecha, etc., los valores de golpeo obtenidos, por ejemplo: • 5/7/6/8 • 12/13/21/R:50/5cm El valor del parámetro NSPT será 7+6 = 13 en el primer caso y 13+21 = 34 en el segundo. Asimismo, para este segundo ejemplo se ha llegado al rechazo (50 golpes en un tramo de 15 cm) habiendo penetrado sólo 5 centímetros. El ensayo SPT es por naturaleza simple y puede ser intercalado con facilidad en cualquier sondeo de reconocimiento. Puede ejecutarse en casi cualquier tipo de suelo, incluso en rocas blandas o meteorizadas. Los resultados de la prueba, difundida ampliamente en todo el mundo, se correlacionan empíricamente con las propiedades específicas in situ del terreno. Existe una abundante bibliografía a este respecto. La gran mayoría de datos y correlaciones corresponden a terrenos arenosos. La presencia de gravas complica la interpretación, cuando no impide su realización. En resumen, el ensayo resulta apropiado para terrenos en los que predomina la fracción arena, con reserva tanto mayor cuanto mayor es la proporción de la fracción limo-arcilla o de fracción grava. Existen numerosas correlaciones empíricas con diversos parámetros geotécnicos. Debe entenderse claramente que estas relaciones son aproximativas y su uso resulta tanto más adecuado cuanto mayor sea la experiencia de quien las utiliza. a). Correlaciones en suelos granulares a.1) Densidad Relativa Terzaghi y Peck (1948) publicaron la primera correlación entre NSPT y la Densidad Relativa (DR%), válida para arenas cuarzosas (ver figura adjunta). 20
  21. 21. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ En base a los valores de la DR%, Terzaghi y Peck establecieron lo que hoy es un clásico sistema de clasificación de las arenas según su compacidad. El índice SPT está relacionado con la compacidad de las arenas. Terzaghi y Peck propusieron la siguiente relación: N SPT Compacidad 0-4 Muy floja 5-10 Floja 11-30 Media 31-50 Densa >50 Muy densa a.2) Angulo de Rozamiento Interno Los datos que se obtienen del ensayo SPT permiten estimar el ángulo de rozamiento interno de los materiales granulares, bien indirectamente, deducido de los valores estimado de la densidad relativa, bien directamente a partir del valor NSPT (tendencia actual). En la Figura siguiente se presentan conjuntamente los ábacos propuestos por Meyerhof (1956) y Peck et al. (1974). 21
  22. 22. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Existen otras correlaciones directas entre el valor de NSPT y el ángulo de rozamiento interno. En la figura siguiente se presenta la correlación de De Mello (1971): 22
  23. 23. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Existe una correlación evidente entre el ángulo de rozamiento de los suelos granulares y el índice N (SPT). La de mayor difusión probablemente sea la definida por Schmertmann que puede aproximarse con la siguiente expresión analítica: ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ N SPT tan φ = ⎜ ⎟ ⎜ σ v 0 ⎟ ⎜ 12,2 + 20,3 ⎟ ⎝ pa ⎠ donde: φ: ángulo de rozamiento. NSPT: índice del ensayo SPT. σ’v0: presión vertical efectiva al nivel del ensayo. pa: presión de referencia (1 bar = 100 kPa). a.3) Deformabilidad Existen numerosas correlaciones entre el valor de NSPT que permiten deducir reglas empíricas o semiempíricas a partir de las cuales se puede estimar los módulos de deformabilidad. En general se utiliza el módulo confinado (edométrico), aunque muchas veces esto no queda claro en la literatura ya que muchos autores hacer referencia simplemente a un módulo de deformabilidad. Mitchell y Gardner (1975) resumen una serie de trabajos publicados hasta esa fecha, detallando el tipo de suelo y la base de cada método. Estas correlaciones con el Módulo Confinado se presentan en la Figura siguiente. Se observa la enorme dispersión de los valores. De estas correlaciones, sólo la de Schultze y Meltzer (1965) tienen en cuenta la presión de confinamiento. Las relaciones entre NSPT y Es, pueden expresarse de forma general mediante la relación lineal empírica: ES = S1 NSPT + S2 Algunos valores de estas constantes se muestran en la tabla siguiente: 23
  24. 24. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Como resumen, a continuación se incluye una tabla en la que se muestran una serie de parámetros correlacionados con el valor NSPT para suelos granulares: b). Correlaciones en suelos cohesivos En los terrenos cohesivos las correlaciones basadas en los resultados del ensayo SPT sólo deben considerarse orientativas. La dispersión de las correlaciones en suelos cohesivos es mucho mayor que en los terrenos granulares. Las presiones insterticiales que se generan en el momento del golpeo y los rozamientos parásitos afectan substancialmente los resultados. b.1) Resistencia a compresión simple Muchos investigadores han intentado realizar correlaciones entre el valor de N SPT y la resistencia a la compresión simple de suelos arcillosos. La dispersión de los resultados obtenidos es muy grande, como puede apreciarse en la Figura siguiente (NAVFAC, 1971). En la tabla incluida a continuación se presentan también correlaciones entre el golpeo NSPT , la densidad saturada y la resistencia a la compresión simple según la adaptación de Hunt (1984) a los trabajos de Terzaghi y Peck (1948). 24
  25. 25. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Valores de la resistencia a compresión simple a partir de Nspt para suelos cohesivos de distinta plasticidad. NAVFAC, 1971 Finalmente, se incluye una tabla resumen con correlaciones orientativas del ensayo SPT con otros parámetros para suelos arcillosos. 25
  26. 26. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ C.2.- Ensayo presiométrico El Ensayo Presiométrico consiste en efectuar una puesta en carga lateral creciente del terreno por medio de una sonda cilíndrica dilatable radialmente y que se introduce en un taladro. Se trata, pues, de un ensayo de carga- deformación. Normalmente el ensayo se realiza en el interior de un sondeo previamente perforado (PBP, Pre-Boring Pressuremeter) donde se introduce el equipo presiométrico. El equipo consta de tres componentes principales (ver figuras siguientes): Estos ensayos no están normalizados en España, realizándose normalmente al amparo de la normativa francesa (NFP 94-110). 26
  27. 27. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ En los presiómetros se utiliza un recinto cerrado por una membrana que aloja un volumen de fluido controlable. El aumento del volumen de ese fluido comprime la membrana contra las paredes del sondeo (ver fotos adjuntas de la deformación de la sonda presiométrica). Con estos dos datos (volumen y presión) se puede preparar el diagrama deformación-presión que se ilustra en el esquema de la figura siguiente: Normalmente los resultados del ensayo presiométrico se representan en gráficos cuya abcisa corresponde a la deformación radial, εr, definida por la expresión: r − r0 εr = r0 27
  28. 28. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ donde: r = radio medio de la cavidad en un momento del ensayo. r0 = radio inicial de referencia. Para el ensayo de rocas y de suelos muy firmes se pueden utilizar equipos más robustos, que se denominan dilatómetros y que miden la deformación mediante extensómetros, con lo cual se obtiene la deformación radial directamente y con mayor precisión. El tarado del equipo, antes de su utilización, permite conocer qué parte de la presión que se aplica es necesaria para deformar la membrana y ese valor se debe restar a la presión aplicada para obtener la presión corregida que es la que debe utilizarse en el gráfico de resultados. La interpretación del ensayo presiométrico permite conocer tres presiones de interés: a) Presión horizontal inicial, ph0. Es la presión que ha de ejercerse para establecer el contacto membrana-terreno y deformarlo hasta su posición original, antes de realizar el sondeo. En los presiómetros convencionales esa presión corresponde al quiebro de la curva presión- deformación (punto de máxima curvatura). b) Presión de fluencia, pf. Es la presión donde acaba un tramo recto que suele aparecer en estos diagramas. A partir de ella, las deformaciones son claramente no lineales. Su determinación detallada puede realizarse con ciertas técnicas, aunque en la práctica rutinaria suele definirse casi a simple vista. c) Presión límite, pl. Es la presión que provoca una deformación radial del 41% (deformación volumétrica del 100%). Si el ensayo no ha alcanzado esa deformación, es necesario hacer una extrapolación para obtenerla. Los datos mencionados (ph0, pf y pl) pueden utilizarse para el proyecto de cimentaciones superficiales y profundas. Además, la interpretación de la curva presiométrica permite obtener, si bien sólo con una aproximación grosera, ciertos parámetros característicos del comportamiento del terreno, tal como se indica a continuación. El coeficiente de empuje al reposo, K0, del terreno se puede obtener mediante la expresión siguiente: ph0 − u K0 = σ v 0 donde: ph0: presión horizontal inicial, deducida del ensayo. u: presión intersticial al nivel del ensayo. σ’v0: presión vertical efectiva al nivel del ensayo. 28
  29. 29. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ El módulo de rigidez transversal, G, del terreno, para el nivel de deformaciones del ensayo y para la dirección de carga correspondiente (perpendicular al eje del sondeo), se puede obtener mediante la expresión: Δp G = V0 ΔV donde: Δp: aumento de presión entre los dos puntos donde se advierte una respuesta lineal. ΔV: aumento de volumen entre esos dos mismos puntos. V0: volumen de referencia. Normalmente se debe utilizar como volumen de referencia el correspondiente al inicio del tramo elástico (tramo recto). Se define como módulo presiométrico, Ep, al valor siguiente: G EP = 2(1 + ν ) donde: G: módulo de rigidez transversal, antes definido. ν: módulo de Poisson. En la tabla adjunta se indican unos valores orientativos de módulos presiométricos y presiones límite para distintos tipos de suelo. 29
  30. 30. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Los ensayos presiométricos permiten conocer la naturaleza del terreno ya que, para su ejecución, requieren la extracción previa del terreno donde ha de alojarse el equipo de ensayo. Estos testigos deben ser objeto de análisis de laboratorio; al menos deben realizarse con ellos los ensayos de identificación más elementales. En suelos arcillosos saturados es posible obtener un valor recomendado de la resistencia al corte sin drenaje, su, mediante un análisis específico de la zona no lineal del final de la curva presiométrica (presión de ensayo comprendida entre pf y pl). La expresión correspondiente es: p 2 − p1 su = ⎛ V − V0 ⎞ ln⎜ 2 ⎜ V −V ⎟ ⎟ ⎝ 1 0 ⎠ donde: p1, p2: presiones cualquiera en el tramo pf─pl. V1, V2: volúmenes de fluido en el presiómetro para esas mismas presiones. V0: volumen de referencia. Se tomará el que corresponde a ph0. Teóricamente el valor de su sería independiente de los puntos 1 y 2 que se elijan, pero será necesario tantear distintos valores para obtener un valor razonable. En suelos arenosos permeables, siempre que se garantice que durante el ensayo no se generan presiones intersticiales importantes, se puede obtener, de esa misma rama curva final del ensayo, una idea aproximada del ángulo de rozamiento interno del terreno, mediante la expresión siguiente: φ= 7° (1+10 s) > 30° donde: ⎛ p − u0 ⎞ ln⎜ 2 ⎜ p −u ⎟ ⎟ s= ⎝ 1 0 ⎠ ⎛r −r ⎞ ln⎜ 2 0 ⎟ ⎜r −r ⎟ ⎝ 1 0⎠ p1, p2: presiones cualquiera en el tramo pf — pl. r1, r2: radios del presiómetro para esas mismas presiones. r0: radio de referencia, se tomará el que corresponda a ph0. u0: presión hidrostática del agua intersticial al nivel del ensayo. C.3.- Ensayo de molinete o veleta (“vane test”) Consiste en hincar en el terreno un “molinete” constituido por cuatro placas de acero ortogonales (ver figura adjunta) soldadas a un varillaje y medir el par de torsión T al girar el dispositivo hasta la rotura del terreno. Existen normalizaciones de este ensayo (ASTM D 2573, DIN 4096). En España está en vías de normalización. 30
  31. 31. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Como el cizallamiento es relativamente rápido, el agua no tiene tiempo a ser evacuada y se trata entonces de un ensayo no consolidado y no drenado (Unconsolidated-undrained). El par de torsión T aplicado está equilibrado por el momento de las reacciones de cizallamiento del suelo sobre la superficie circunscrita al molinete. Se hace de crecer T hasta lograr la ruptura del suelo (valor pico), que se manifiesta por una disminución brusca de la fuerza aplicada. A continuación sucede una estabilización del momento, inferior al valor máximo pero no nulo (valor residual). En la figura siguiente se presenta la curva de un ensayo controlado por ordenador en tiempo real a su ejecución. Se observa un primer tramo horizontal que corresponde a la medida del rozamiento de las varillas más el niple de unión (valor que debe ser deducido de la resistencia pico). El ensayo de molinete o «vane test», realizado en el fondo de sondeos o mediante hinca directa hasta el nivel de ensayo, está especialmente indicado para investigar la resistencia al corte sin drenaje de suelos arcillosos blandos. 31
  32. 32. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Para la interpretación del ensayo se admite que la tensión de cizallamiento máxima (pico), igual a la cohesión no drenada, está uniformemente repartida sobre la superficie circunscrita al molinete. Cálculos teóricos muestran que esta hipótesis no es estrictamente así. En el caso de un molinete rectangular, por ejemplo, el suelo sobre la superficie cilíndrica entrará en plasticidad, mientras que sobre los discos extremos estará aún en elasticidad (Casan, 1982). En la práctica, no obstante, las desviaciones debidas a la hipótesis simplificadora resultan despreciables, menos del 4%. La distribución de tensiones de corte de un molinete rectangular puede observarse en la figura siguiente: Para calcular la resistencia al corte no drenada su, se utiliza el máximo momento torsor T corregido para deducir los rozamientos parásitos: T su = k siendo: T = Torsión máxima aplicada k = Constante dependiente de la geometría de la paleta. Resumiendo, la expresión general para paletas rectangulares de altura H y diámetro D, es: 3 T su = 28 ⎛ D ⎞ 3 π⎜ ⎟ ⎝2⎠ 32
  33. 33. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Para paletas trapezoidales se tiene: T su = ⎛ ⎞ ⎜3 ⎟ 2π ⎛ D ⎞ ⎜ 1 3H ⎟ ⎜ ⎟ 1+ + 3 ⎝ 2 ⎠ ⎜ senα ⎛ D ⎞ ⎟ ⎜ ⎜ ⎟⎟ ⎝ ⎝ 2 ⎠⎠ Estudios de deslizamientos en terraplenes construidos sobre arcillas plásticas (Bjerrum, 1972, 1973) han demostrado que la cohesión movilizada en el terreno es realmente menor que la cohesión medida con este ensayo, siendo la diferencia función del Indice de Plasticidad IP. Bjerrum propone la introducción de un coeficiente corrector μ: Su = Su vane μ En la figura siguiente se presenta la relación entre μ (eje de ordenadas) y el índice de plasticidad (eje de abscisas). Se observa que su está más sobreestimada cuanto más plástico es el suelo. Esta corrección es importante para suelos con índice de plasticidad superior a 30 (IP>30). Los parámetros de resistencia que se obtienen en este ensayo están igualmente indicados para la determinación de cargas de hundimiento de cimentaciones superficiales o profundas en condiciones no drenadas así como para el estudio de estabilidad de taludes de dragado o relleno, también en condiciones no drenadas. 33
  34. 34. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ D) Pruebas de penetración D.1.- Ensayos de penetración dinámica La forma más económica y sencilla de ensayar el terreno en profundidad consiste en la hinca de un varillaje con una punta metálica de forma conveniente. El ensayo penetrométrico más difundido en España (y en Europa) es el conocido con el nombre de Borro (NLT 261). Este equipo consiste en un varillaje metálico macizo de 32 mm de diámetro exterior que hinca una puntaza metálica de la forma y dimensiones que se indican en la figura siguiente. La hinca se realiza con una maza de 65 kg (igual peso que la del SPT) que cae libremente desde 50 cm de altura. Durante la hinca se van contabilizando los números de golpes para hacer avanzar la hinca 20 cm. El resultado se suele representar en forma de diagrama de ese número de golpes «NB» obtenido en cada profundidad (ver diagrama B siguiente). 34
  35. 35. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Como quiera que el tamaño de la puntaza es más amplio que el diámetro del varillaje, el rozamiento entre éste y el terreno es pequeño y el resultado del ensayo estaría relacionado con la resistencia del terreno en el entorno de la punta. La hinca se continúa hasta la profundidad de interés previamente fijada o hasta alcanzar una resistencia elevada. La punta metálica queda perdida en el terreno al recuperar el varillaje. Para evitar que el varillaje roce con el terreno se le suelen dar, aunque sea manualmente, algunas vueltas. Existen equipos de penetración en los que este giro se hace de una manera regular y donde, además, existe un mecanismo de escape de la maza de golpeo que evita también los posibles rozamientos del cable de izado. Existe, dentro del equipo Borro, otra puntaza diferente, con forma cónica y de menor tamaño. Además del equipo Borro existen, aunque se empleen con menos frecuencia, penetrómetros dinámicos como el DIN ligero o el Stump, que se idearon, inicialmente para ser hincados manualmente (sin motor y cabrestante para el izado). 35
  36. 36. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ En España están normalizados dos ensayos de penetración dinámica continua: - DPSH. Norma UNE 103.801. Ensayo de penetración dinámica superpesado. - DPH. Norma UNE 103.802. Ensayo de penetración dinámica pesado. Entre distintos penetrómetros dinámicos continuos se puede establecer una equivalencia de manera que la energía específica de la hinca sea semejante. El índice NB del ensayo tipo Borro (con escape automático de la maza de 65 kg B cayendo de 50 cm de altura con puntaza cuadrada de 4 x 4 cm y medida del número de golpes para avanzar la hinca 20 cm) suele ser mayor que el N (SPT) a grandes profundidades y menor en los primeros metros. La correlación, sin embargo, es muy dispersa y, de ser necesaria su definición, debe ser analizada en cada formación y a cada profundidad o utilizar correlaciones previamente establecidas o basadas en experiencias locales contrastadas. Los penetrómetros dinámicos tienen su mejor campo de aplicación en la determinación de la profundidad de suelos blandos o de consistencia media que apoyan sobre formaciones mucho más resistentes donde la hinca se detiene. El ensayo de penetración es muy útil para detectar cambios de compacidad en el terreno (zonas más blandas de los rellenos, oquedades, defectos de compactación en terraplenes, etc...). Este ensayo es también útil en la estimación de la facilidad de hinca de pilotes. Es recomendable realizar ensayos de penetración dinámica en las mismas alineaciones que los sondeos de reconocimiento y/o en los mismos perfiles en que se realicen prospecciones geofísicas; sus resultados permiten confirmar la homogeneidad del terreno entre los puntos reconocidos mediante sondeos o detectar posibles heterogeneidades locales que adviertan sobre la necesidad de densificar la malla de sondeos mecánicos. En cualquier caso y dadas las posibles variaciones en cuanto a detalles de la ejecución, se recomienda que en los diagramas de resultados de estos ensayos figuren explícitamente los datos siguientes: -Peso de la maza y altura de caída. -Forma de escape de la maza (manual o automática). -Forma de la puntaza, en un pequeño dibujo. La resistencia al avance de las tuberías de entubación de los sondeos colocadas mediante hinca, así como el control del número de golpes necesarios para hincar el tomamuestras, son datos que pueden servir también para estimar la consistencia del terreno. A esos efectos, sería necesario conocer los detalles de esas hincas. Se recomienda no utilizar los datos de los penetrómetros dinámicos continuos con el fin de cuantificar cargas de hundimiento o asientos de cualquier tipo de cimentación si no es a través de una experiencia local claramente contrastada por otros métodos. 36
  37. 37. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ D.2.- Ensayos de penetración estática El ensayo de penetración estático (o CPT «Cone Penetration Test») consiste en una hinca mediante empuje, a velocidad lenta (1 a 3 cm./s), de una varilla con una punta adecuada, dentro del terreno. El equipo más común en España (y en Europa) es el cono holandés (UNE 103804). El avance del penetrómetro se realiza en intervalos discontinuos de modo que se pueda medir la resistencia a la penetración de la punta sola o del conjunto completo. Existen equipos automáticos que miden, en una hinca continua, la resistencia al avance en la punta y la resistencia a la penetración por fuste en el manguito lateral. Los equipos varían según su capacidad de empuje y distintas formas de las puntas. Existen normativas en otros países sobre la ejecución del ensayo (DIN 4094, ASTM D-3441) cuya aplicación puede ser de interés. En los gráficos de resultados conviene incluir un esquema del tipo de punta utilizado, pues este dato no siempre es el mismo. 37
  38. 38. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ 38
  39. 39. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ La interpretación de estos ensayos permite determinar la resistencia al corte del terreno y obtener una descripción indirecta del tipo de suelo atravesado y de su compresibilidad. En ese sentido, se necesitarían reconocimientos complementarios por otros métodos para obtener una descripción cierta de la naturaleza del terreno e, incluso, una determinación más exacta de su deformabilidad. La resistencia al corte del terreno obtenida mediante estos ensayos es especialmente adecuada para el cálculo de la carga de hundimiento de cimentaciones profundas. Existe una relación entre la resistencia por la punta en el ensayo de penetración estática, qc, y la densidad relativa de las arenas. También existe una relación entre esa resistencia de las arenas y el módulo de deformación que se debe utilizar en los cálculos de asientos de cimentaciones superficiales (ver figura siguiente -Schmertmann (1978): Para suelos granulares existe una correlación evidente entre la resistencia por punta del ensayo de penetración estática y el ángulo de rozamiento interno. 39
  40. 40. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Aunque esta correlación depende de varios factores, como valor orientativo se puede usar ia siguiente expresión dada por Robertson y Campanella: qc − σ v 0 tgφ = 0,10 + 0,38 log σ v 0 donde: φ: ángulo de rozamiento interno. qc: resistencia por punta. σv0: presión vertical total al nivel del ensayo. σ’v0: presión vertical efectiva al nivel del ensayo. El ensayo de penetración estática es especialmente adecuado para medir ia resistencia al corte sin drenaje de los suelos cohesivos blandos. La relación que se suele establecer para los suelos cohesivos de los fondos marinos es: 1 su = (qc − σ v ) Nk donde: su: resistencia al corte sin drenaje. qc: resistencia unitaria por la punta al avance del cono. σv0: presión vertical total en el terreno al nivel del ensayo. NK: factor adimensional de proporcionalidad. El factor NK está próximo a 15. El ingeniero puede utilizar este dato como referencia básica pero sabiendo que es un factor variable dependiente del tipo de terreno, de la profundidad y de otros posibles factores aún no bien conocidos. E) Ensayos de carga con placa Los ensayos de placa de carga están especialmente indicados en el estudio de la capacidad portante de rellenos compactados y también de terrenos naturales. La interpretación de sus resultados permite obtener valores de los módulos de deformación aplicables a la predicción de asientos así como una estimación aproximada de las cargas de hundimiento de las cimentaciones superficiales. Dado que el ensayo afecta a una zona pequeña del terreno para los tamaños usuales de las placas (ver NLT 357, Ø 30, 60 ó 76,2 cm), estos ensayos no permiten conocer la deformabilidad del terreno más que en la zona próxima a la superficie del ensayo. F) Toma de muestras La toma de muestras es una de las actividades importantes de las campañas de reconocimiento geotécnico. Por ese motivo ha de estar planificada antes de comenzar la campaña de reconocimientos. 40
  41. 41. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Las muestras pueden obtenerse de sondeos, de calicatas o de lugares especificados donde no se haya hecho perforación o excavación previa. Las muestras pueden ser alteradas, esto es, que después de tomadas tengan otra densidad o humedad distintas de las originales o inalteradas, esto es, en las que la humedad y la densidad (y por lo tanto la resistencia, la deformabilidad y la permeabilidad) sean lo más próximas posibles a las originales. En cualquier caso las muestras han de ser representativas del suelo que se quiere ensayar; en ese sentido deben evitarse siempre los lavados o segregaciones de las muestras salvo que ese aspecto, por alguna razón singular, no tenga importancia en el problema en estudio. Las muestras alteradas pueden tomarse manualmente, con pico y pala, con excavadoras mecánicas o proceder de testigos de sondeos. Pueden transportarse en sacos o bolsas. Las muestras inalteradas o poco alteradas pueden tomarse con tomamuestras específicos (hincando tubos cortos biselados) de paredes de pozos, zanjas o calicatas previamente apuntalados. Deben empaquetarse, transportarse y conservarse en laboratorio hasta su ensayo de manera que no sufran alteración. La toma de muestras más usual de los reconocimientos geotécnicos se realiza en sondeos mediante tomamuestras específicos adaptados al tipo de terreno. En la tabla siguiente se resume la información relativa a los más empleados. 41
  42. 42. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ La toma de muestras inalteradas o poco alteradas de suelos granulares limpios no es posible por procedimientos convencionales. En algunas arenas resultan eficaces los tomamuestras de pistón tipo Osterberg o tipo Bishop. La toma de muestras debe ser supervisada por el técnico responsable de los trabajos de campo. Es de gran importancia que el carácter más o menos alterado de las muestras tomadas sea estimado por un técnico experto. El procedimiento debe quedar documentado indicando, para cada muestra o grupo de muestras, su procedencia (sondeo, calicata u otro punto de coordenadas conocidas), la columna litológica correspondiente al lugar donde se hace la toma, la indicación expresa de su profundidad, la posición del nivel freático en el lugar donde se tomó la muestra así como cualquier observación que el técnico responsable crea oportuna. Ya que las muestras se toman para hacer ensayos de laboratorio, la programación del número de ellas y su ubicación sólo deberá definirse tras considerar los ensayos que resulten necesarios para analizar los problemas objeto del informe geotécnico. 42
  43. 43. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ1.3.2 Ensayos de laboratorioLos ensayos de laboratorio constituyen hoy la herramienta principal para el estudio delas características geotécnicas del terreno. Rara vez será posible un estudiogeotécnico correcto que no incluya ensayos de laboratorio.Existen ensayos de laboratorio destinados a definir la naturaleza del suelo, esto es, sucomposición granulométrica y mineralógica, sus propiedades índice, etc... Existenotros ensayos de laboratorio especialmente destinados al estudio de la resistencia, dela deformabilidad y de la permeabilidad. A) Ensayos de identificación en suelos Dentro de este grupo de ensayos de laboratorio se consideran incluidos los siguientes: - Ensayos granulométricos por tamizado y por sedimentación (UNE 103.101 y UNE 103.102). - Ensayo de límites de Atterberg (UNE 103.103 y UNE 103.104). - Densidades mínima y máxima de arenas (UNE 103.105 y UNE 103.106). - Determinaciones del peso específico de las partículas (UNE 103.302). - Análisis químicos del suelo. Contenido en sulfatos, carbonatos y materia orgánica como más interesantes (UNE 103.201 (cuantitativa) ó UNE 103.202 (cualitativa), UNE 103.200 yUNE 103.204). - Análisis químicos del agua intersticial. Estos ensayos se pueden realizar con muestras alteradas o inalteradas. En cualquier caso exigen desmenuzar previamente la muestra. 43
  44. 44. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Con los dos primeros ensayos (granulometría y límites de Atterberg) es posible clasificar los suelos dentro de tipos cuyas características geotécnicas son similares. A estos efectos se recomienda utilizar el sistema unificado de clasificación de suelos, que está ampliamente difundido. También se consideran de este grupo los ensayos de densidad seca y humedad natural que permiten conocer las dos variables más importantes del estado del suelo. Su determinación debe hacerse, sin embargo, en muestras inalteradas o poco alteradas. B) Ensayos de compresión simple en suelos Están indicados para ensayar muestras de suelos cohesivos de consistencia media, firme o muy firme, inalteradas o poco alteradas, así como suelos cohesivos recompactados. UNE 103.400. De su resultado se obtiene una idea precisa de la resistencia al corte del suelo en condiciones de saturación similares a las del ensayo. El resultado puede ser poco preciso en arcillas que muestren síntomas de fisuración. Siempre que se haga este ensayo se recomienda que se determine específicamente, en cada probeta, la humedad y la densidad seca antes del ensayo. La resistencia a la compresión simple de los suelos arcillosos puede calificarse de acuerdo con la siguiente escala: C) Ensayo de corte directo Está indicado para cualquier tipo de muestra de suelos cohesivos o granulares, estén o no alterados. Evidentemente la preparación de probetas de ensayo procedentes de muestras arenosas inalteradas es complicada y requiere técnicas especiales que desaconsejan su utilización. El ensayo de corte directo puede realizarse con las probetas semisaturadas, tal como esté la muestra de las que procedan, o con una saturación adicional provocada en el equipo de ensayo. Del ensayo se puede obtener una estimación aproximada de la resistencia al corte. Las condiciones de deformación son tan poco homogéneas en la caja de corte que no se debe esperar precisión en los parámetros resistentes. Por ese motivo su utilización sólo es aconsejable cuando no existe la posibilidad de hacer ensayos triaxiales. 44
  45. 45. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ Existe una versión de ensayo de corte directo normalizado en España UNE 103.401. Para el estudio de suelos de grano grueso y, sobre todo, para el caso de gravas y escolleras finas (materiales de enrase de las banquetas) son necesarios equipos de grandes dimensiones. En España se dispone de cajas de corte de hasta 1 m x 1 m. D) Ensayo triaxial de suelos El ensayo está especialmente indicado para conocer la resistencia y la deformabilidad del suelo ante distintos niveles de confinamiento. Se puede realizar con muestras de cualquier tipo de suelo ya sean alteradas o inalteradas. Es dificil, sin embargo, preparar probetas inalteradas de suelos granulares. El ensayo se puede hacer con probetas de distinto tamaño. Usualmente (UNE 103.402) se ensayan probetas cilíndricas de altura igual al doble del diámetro. Los diámetros usuales mínimos son 1 1/2” y es posible ensayar en España probetas de hasta 9” de diámetro con cierta normalidad cuando el suelo contiene gravas de hasta 2”. El ensayo suele hacerse con o sin consolidación previa y rompiendo con el drenaje abierto o cerrado. Son típicos los ensayos: U.U. - Sin consolidación previa y rotura sin drenaje. C.U. - Con consolidación previa y rotura sin drenaje. C.D. - Con consolidación previa y rotura con drenaje. El ensayo tipo C.U., se puede hacer con o sin medida de las presiones intersticiales de la probeta. El ensayo se suele realizar con probetas saturadas previamente con una contrapresión de 6 bares, aunque el ensayo U.U. puede hacerse con probetas no saturadas. En cada ensayo triaxial se suelen romper tres probetas, cada una de ellas sometidas a una presión de célula que supera en 0,5, 1 y 3 bares a la contrapresión de saturación. Es posible y aconsejable indicar otras presiones de ensayo que puedan ser más adecuadas al problema que se investiga. Durante la fase de carga vertical del ensayo hasta rotura se controla la deformabilidad tomando nota de la carga para cada 0,5 % adicional de reducción de altura de la probeta. El conocimiento de esos datos de deformación es esencial para deducir la deformabilidad del suelo. De la interpretación de ensayos triaxiales se puede obtener los parámetros de resistencia y deformación del suelo en condiciones no drenadas (ensayos U.U.) o drenadas (ensayos C.U. con medida de presiones intersticiales o ensayos C.D.). Los resultados de resistencia y deformación de suelos obtenidos de ensayos triaxiales son aplicables al estudio de todos los problemas geotécnicos. 45
  46. 46. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ E) Ensayos edométricos Los ensayos edométricos están especialmente indicados para estudiar los asientos de suelos arcillosos blandos saturados. Pueden realizarse con muestras inalteradas de suelos cohesivos o muestras recompactadas de cualquier material. Estos ensayos suelen realizarse incrementando la carga vertical en escalones, de manera que cada nueva carga duplica la compresión vertical existente en el escalón anterior. El ensayo suele alcanzar la carga vertical máxima de 1 MN/m2 aunque es posible especificar cargas mayores si el problema que se pretende analizar lo requiere. El ensayo incluye también el control de deformaciones durante la descarga. Cada escalón de carga del ensayo edométrico se mantiene durante un día. Se recomienda mantener este tiempo mínimo de espera y, por lo tanto, se desaconseja especificar duraciones menores al solicitar la realización de estos ensayos. Los ensayos edométricos suelen realizarse con probetas saturadas aunque es posible, en casos especiales, hacerlos con humedad menor o saturarlos después de haber colocado cierta sobrecarga. Estas variantes pueden ser de interés en el estudio del colapso o la expansión de suelos metaestables. De la interpretación de los ensayos edométricos se deducen parámetros geotécnicos relativos a la deformabilidad y permeabilidad del suelo especialmente indicados para el estudio de problemas de consolidación. Existe una norma española, UNE 103.405, que regula la realización de este ensayo. F) Ensayos de compactación Los ensayos de compactación están indicados para el estudio del efecto de la humedad en la densidad máxima que puede alcanzarse al compactar un suelo. Se realizan con muestras de cualquier tipo de suelo hasta gravas que puedan tener 25 mm (1”) de tamaño máximo (aprox.). Los ensayos más tradicionales son el Proctor Normal (UNE 103.500) y el Proctor Modificado (UNE 103.501). El segundo se realiza compactando en moldes más grandes y con energías mayores y por eso suelen alcanzar densidades claramente más altas (5 a 15% mayores que las correspondientes al P.N.). El resultado de estos ensayos es especialmente aplicable al control de calidad de compactación de rellenos. G) Otros ensayos Existen una gran variedad de ensayos, menos comunes, que pueden ser de gran interés en el estudio de determinados problemas geotécnicos específicos. Entre estos ensayos de suelos, se citan los siguientes: • CBR. Determinación de la capacidad portante para explanadas y capas de firmes. 46
  47. 47. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ • Determinación de la presión de hinchamiento y de la expansión libre de suelos expansivos. • Ensayos de compresión brasileños (medida indirecta de la resistencia a tracción). • Ensayos de molinete (vane test) y penetrómetro en laboratorio. • Ensayos de permeabilidad mediante permeámetros de carga constante o variable.1.4 Esfuerzos en una masa de suelo: presiones normales y tangenciales1.4.1 Concepto de esfuerzo efectivo en un sistema de particulasLa figura siguiente muestra una pequeña celda de medición hipotética (elemento A)enterrada en una masa de suelo.Imaginemos que esta celda se ha colocado de tal forma que las partículas del suelo nose han desplazado. Los diagramas de dicha figura representan las caras horizontal yvertical del elemento A, con las partículas de suelo que cargan sobre esas caras.Estas partículas ejercen generalmente fuerzas normales y tangenciales sobre dichascaras. Si cada cara es cuadrada, de lado a, podernos definir los esfuerzos que actúansobre la celda por: Nv Nh Tv Thσv = σh = τv = τh = a2 a2 a2 a2donde Nv y Nh representan respectivamente las fuerzas normales en direccionesvertical y horizontal; Tv y Th son respectivamente las fuerzas tangenciales endirecciones vertical y horizontal; y σv, σh, τv y τh representan los esfuerzos 47
  48. 48. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZcorrespondientes. De esta forma hemos definido cuatro esfuerzos que, al menosteóricamente, pueden visualizarse y medirse directamente.En este apartado, excepto cuando se indique lo contrario, se supondrá que la presiónen la fase intersticial del suelo es nula; es decir igual a la presión en la atmosférica. Deaquí que las fuerzas Nv, Nh, Tv y Th se deben únicamente a las fuerzas transmitidas através del esqueleto minera!. En un suelo seco, el esfuerzo puede imaginarse como lafuerza existente en el esqueleto mineral por unidad de área de suelo.Realmente, es bastante difícil medir con precisión los esfuerzos existentes en elinterior de un suelo, principalmente debido a que la presencia de un medidor altera elcampo de esfuerzos que existiría si aquel no se hubiera colocado. Con objeto de quenuestra definición de esfuerzos se pueda aplicar con independencia de un medidor,podemos hacer pasar un plano imaginario a través del suelo, como se indica en la Fig.8.2Este plano atravesará los granos minerales y los espacios intersticiales. Puedesuceder que este plano pase a través de uno o más puntos de contacto entrepartículas. En cada punto en que este plano atraviesa materia mineral, la fuerzatransmitida a través del esqueleto mineral puede descomponerse en fuerzas normalesy tangenciales al plano. Las componentes tangenciales pueden a su vezdescomponerse según un par de ejes coordenados. Estas diversas componentes sehan representado en la Fig. 8.2 La suma de las componentes normales al plano detodas las fuerzas, dividida por el área del plano es el esfuerzo normal σ que actúasobre dicho plano. Análogamente, la suma de todos los componentes tangencialessobre el plano en la dirección x, por ejemplo, dividida por el área de este plano es elesfuerzo tangencial o cortante τx en la dirección x.Existe también otra imagen bastante utilizada para la definición de esfuerzos. Puedeimaginarse un plano “ondulado” que se dobla justo lo suficiente para cortar materiaminera! unicarnente en los puntos de contacto entre partículas. El esfuerzo esentonces la suma de las fuerzas de contacto dividida por el área del plano ondulado.La suma de todas las áreas de contacto será una parte muy pequeña del área total del 48
  49. 49. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZplano, ciertamente menos de 1%. Por ello, el esfuerzo definido de esta forma difieremucho numéricamente de los esfuerzos en los puntos de contacto.Al utilizar la palabra “esfuerzo” en este libro nos referimos al esfuerzo macroscópico,es decir fuerza/área total, tal como se ha definido con ayuda de las Figs. 8.1 y 8.2.1.4.2 Esfuerzos geostáticosLos esfuerzos en el interior de un suelo están producidos por las cargas exterioresaplicadas al mismo y por el peso del propio suelo. El sistema de esfuerzos debido alas cargas aplicadas suele ser bastante complicado. El sistema de esfuerzoscorrespondiente al peso propio del suelo también puede ser complicado. Sin embargo,existe un caso habitual en el que el peso del suelo da lugar a un sistema de esfuerzosmuy sencillo: cuando la superficie del terreno es horizontal y cuando la naturaleza delsuelo varía muy poco en dirección horizontal. Este caso se presenta frecuentemente,en especial en suelos sedimentarios. En tal caso los esfuerzos se denominangeostáticos.Esfuerzos geostáticos verticalesEn el caso que acabamos de describir, no existen esfuerzos tangenciales sobre planosverticales y horizontales trazados a través del suelo. De aquí que el esfuerzo verticalgeostático a cualquier profundidad puede calcularse simplemente considerando elpeso de suelo por encima de dicha profundidad.Así pues, si el peso específico del suelo es constante con la profundidad, se tiene: σ v = γzdonde z es la profundidad y γes el peso específico total del suelo. En este caso, elesfuerzo vertical variará linealmente con la profundidad, como se indica en la Fig. 8.3. 49
  50. 50. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZPor supuesto el peso específico no es una constante con la profundidad.Generalmente un suelo resultará cada vez más compacto al aumentar la profundidaddebido a la compresión originada por los esfuerzos geostáticos. Si el peso específicodel suelo varía de forma continua con la profundidad, los esfuerzos verticales puedencalcularse por medio de la integral: Z σ v = ∫ γdz 0Si el suelo está estratificado y el peso específico de cada estrato es diferente, losesfuerzos verticales pueden calcularse adecuadamente por medio de la sumatoria: σ v = ∑ γΔ zEl ejemplo siguiente muestra el cálculo de los esfuerzos verticales geostáticos para uncaso en el que el peso específico es función del esfuerzo geostático.Datos: La relación entre el esfuerzo vertical y el peso específico es γ = l,520+0,0022 σvdonde γ viene dado en ton/m3 y σv en ton/m2.Problema: Calcular los esfuerzos verticales a una profundidad de 30 m. para el casode esfuerzos geostáticos. 50
  51. 51. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZSolución por cálculo directo. A partir de la ecuación: Z Z σ v = ∫ γ dz = ∫ (1,520 + 0 , 0022 σ v ) dz 0 0 (z en metros) dσ v = (1,520 + 0,0022σ v ) dzLa solución de esta ecuación diferencial es: σ v = 6,90( e 0,0022 Z − 1)Para z = 30 m: σv = 6.90 (1,0683 — 1) = 47,73 ton/m2.Esfuerzos geostáticos horizontalesLa relación entre los esfuerzos horizontal y vertical se expresa por un coeficientedenominado coeficiente de esfuerzo lateral o de presión lateral y se designa por elsímbolo K. σh K= σvEsta definición de K se emplea indiferentemente de que los esfuerzos seangeostáticos o no.Incluso en el caso de que los esfuerzos sean geostáticos, el valor de K puede variarentre amplios límites, según que el suelo resulte comprimido o expandido en direcciónhorizontal, bien por las fuerzas de la naturaleza o de los trabajos del hombre.Frecuentemente tiene interés la magnitud del esfuerzo geostático horizontal en el casoespecial en el que no se haya producido deformación lateral en el terreno. En estecaso se habla del coeficiente de presión lateral en reposo y se designa por el símboloK0.Como se ha comentado en apartados anteriores, un suelo sedimentario está formadopor una acumulación de sedimentos de abajo a arriba. Al continuar aumentando elespesor de sedimentos, se produce una compresión vertical del suelo a todos losniveles debido al aumento del esfuerzo vertical. Al producirse la sedimentación,generalmente en una zona bastante extensa, no existe razón por la cual deba tenerlugar una compresión horizontal apreciable. Por esta razón, se llega lógicamente a laconclusión de que en un suelo sedimentario el esfuerzo total horizontal debe sermenor que el vertical. Para un depósito de arena formado de esta manera, K0 sueletener un valor comprendido entre 0,4 y 0.5.Por otro lado, existe evidencia de que el esfuerzo horizontal puede ser superior alvertical si un depósito sedimentario ha tenido una carga importante en el pasado. Enefecto, los esfuerzos horizontales quedaron “congelados” cuando el suelo estuvo 51
  52. 52. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZcargado con un espesor mayor de tierras que el actual y no se disiparon al suprimirseesta carga. En este caso, K0 puede alcanzar valores de hasta 3.En la Fig. 8.3 se ha representado la gama de variación de los esfuerzos horizontalespara el estado en reposo.1.4.3 Esfuerzos producidos por las cargas aplicadasLos resultados de la teoría de la elasticidad se emplean frecuentemente para calcularlos esfuerzos producidos en una masa de suelo por las cargas aplicadasexteriormente. Esta teoría parte de la hipótesis de que el esfuerzo es proporcional a ladeformación. La mayoría de las soluciones más útiles de esta teoría suponen tambiénque el suelo es homogéneo (sus propiedades no varían de un punto a otro) e isótropo(sus propiedades son las mismas cualquiera que sea la dirección que se considere apartir del punto.) El suelo rara vez se ajusta exactamente a estas hipótesis, y muy amenudo no las cumple en absoluto. Sin embargo el ingeniero no tiene otra alternativaque emplear los resultados de esta teoría junto con su criterio personal.La obtención de la solución elástica para unas determinadas cargas y condiciones decontorno o frontera es bastante tediosa. En este libro no nos interesa la forma deobtener estas soluciones, sino más bien, la forma de emplearlas. En este capítulo seincluyen varias soluciones en forma gráfica.Carga uniforme sobre una superficie circularLas Figs. 8.4 y 8.5 dan los esfuerzos producidos por una presión normaluniformemente repartida Δqs que actúa sobre una superficie circular de radio R en lasuperficie de un semiespacio elástico. Estos esfuerzos deben añadirse a los esfuerzosgeostáticos iniciales. La figura 8.4 proporciona los esfuerzos verticales. 52
  53. 53. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZ 53
  54. 54. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZEl significado de Δσ1 y Δσ3, dados en la Fig. 8.5, a lo largo del eje vertical, es elsiguiente: Δσ1=Δσv Δσ3=ΔσhEl ejemplo siguiente muestra el empleo de estos ábacos. Los esfuerzos provocadospor una carga superficial deben afiadirse a los esfuerzos geostáticos con objeto deobtener los esfuerzos finales después de aplicar la carga.EjemploDatos: Se tiene un suelo con γ = 1.70 ton/m3 y K0 = 0.5, cargado con Δqs = 25 ton/m2sobre una superficie circular de 6 m de diámetro.Problema: Calcular los esfuerzos vertical y horizontal a una profundidad de 3 m. bajoel centro.Solución: Esfuerzo vertical (ton/m2) Esfuerzo horizontal (ton/m2) Esfuerzos iniciales γz=5,10 K0 γ z= 2,55 Increm. de esfuerzos Fig 8.4: 0,64x25= 16,00 Fig 8.5b: 0,10x25= 2,50 Esfuerzos finales 21,10 5,05Las figuras como las indicadas dan una idea de cómo se distribuyen los esfuerzos enuna masa de suelo. Por ejemplo, la zona situada bajo la superficie cargada, donde losesfuerzos verticales son más importantes, se suele denominar frecuentemente “bulbode esfuerzos”. Para una superficie circular cargada, los esfuerzos verticales sonmenores de 0.15 Δqs a una profundidad de 3R y menores de 010 Δqs a unaprofundidad de 4R. Generalmente se conidera que el bulbo de esfuerzos correspondeal volumen comprendido dentro del contorno correspondiente a 0.1 Δqs , aunque estaelección es totalmente arbitraria. 54
  55. 55. MANUAL DE MECANICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES AUTOR: ANGEL MUELAS RODRIGUEZCarga uniforme sobre una superficie rectangularEl gráfico de la Fig. 8.6 puede emplearse para obtener los esfuerzos verticales bajo laesquina de una superficie rectangular cargada.El ejemplo siguiente muestra la forma de emplear este gráfico para obtener losesfuerzos en puntos no situados bajo la esquina de la superficie cargada. Losproblemas que comprenden cargas superficiales no repartidas uniformemente odistribuidas sobre una superficie de forma irregular pueden resolverse dividiendo lacarga en partes que contengan cargas uniformemente repartidas sobre superficiesrectangulares.EjemploDatos: El esquema de carga representado en la Fig. E8.3-1. 55

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