UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

Departamento Académico de Ingeniería.

MECANICA DE SUELOS II

CAPITULO I: COMPRESIBILIDAD DE LOS SUELOS.

TEORIA DE LA CONSOLIDACION.1. Concepto: Es el índice de reducción del volumen de un

suelo cuando se le aplica una fuerza.

2. Compresibilidad de los suelos: En el estudio de la consolidación un suelo

puede considerarse como compresible en sus partículas minerales.

2. Compresibilidad de los suelos.

Si suponemos que el suelo permanece saturado a lo largo del proceso de consolidación se puede decir que la disminución de volumen que se produce es igual al volumen del agua que se expulsa hacia afuera representada por la variación de la relación de vacios.

3.Deformación volumétrica. Resulta del aumento del esfuerzo efectivo .Puede representarse en forma idealizada ya sea

con el cambio del espesor o del cambio de la relación de vacios con lo que las deformaciones volumétricas se pueden igualar de la siguiente forma:

v

La deformación volumétrica también es una función del aumento del esfuerzo por lo que la magnitud del asentamiento por consolidación puede obtenerse a partir de :

4.Elementos que intervienen en la deformación de los suelos.

Los elementos que intervienen en la deformación de los suelos son los siguientes:1. Altura de suelos 2. Relación de vacios Inicial.3. Relación de vacios final4. Altura final5. Relación de vacios intermedio 6. Altura de agua inicial7. Altura de agua final8. Grado de saturación inicial 9. Grado de saturación final

5. Deformación de una masa de suelo.

6.Concepto de consolidación.

Es el rompimiento gradual de la estructura del suelo. Estrictamente hablando de la consoli-dación es la reducción de la relación de vacios. Es la disipación exceso de presión de Poro debido al flujo de agua hacia el exterior, la velocidad de disipación depende de la permeabilidad cuando la Comp.. De una masa de suelo depende del tiempo esta se denomina consolidación.

7. Ensayo de consolidación.Los suelos al igual que otros materiales usados en la construcción sufren deformaciones bajo el efecto de un esfuerzo aplicado sobre ellos.La deformación no se presenta en forma inmediata ya que el reacomodamiento de la partículas que es la parte principal de la deformación necesita expulsar parte de los fluidos que contiene el suelo.Siendo el agua la mayor parte de los fluidos y el suelo es poco permeable la expulsión de dicha agua requiere mucho tiempo.La prueba de consolidación en el laboratorio se llama ensayo de consolidación Unidimensional ideado por el doctor Karl Von Terzaghi .

Este equipo fue perfeccionado por el doctor Arthur casa grande conocido como edómetro o consolido metro de anillo libre .

Las deformaciones se registran en un extensómetro y en el cronometro el tiempo que ocurre la deformación.En el laboratorio son comunes las cargas de 0.125,0.250,0.500,1,2,4 y 8 Kg/cm2.

Con los datos obtenidos se construye una grafica en papel semilogaritmico ,la grafica obtenida recibe el nombre de curva de consolidación.

8. Curvas del ensayo de consolidación.

9. Parámetros característicos de la compresibilidad.

10.Parámetros de la consolidación.

Son :El índice de compresibilidad Cc o denominado

coeficiente de compresibilidad y también se tiene el coeficiente de consolidación que se relaciona con el tiempo en el que tendrá lugar una determinada cantidad de consolidación .

11.Arcillas normalmente consolidadas y preconsolidadas.

Arcillas normalmente consolidadas.- Cuando la presión de sobrecarga efectiva presente es la presión máxima a la que el suelo fue sometido en el pasado. Arcillas pre consolidadas.- Cuando la presión de sobrecarga efectiva presente es menor que la que el suelo experimento en el pasado.La presión efectiva máxima en el pasado se llama esfuerzo de pre consolidación.

12. Calculo de la carga de preconsolidación. Método ARTTHUR

Casagrande.Fue ideado este método por Arthur Casagrande , el método consiste en lo siguiente:1.En la grafica e vs log p’ obtener por observación visual el punto de máxima curvatura entre A y B (punto A)2.Trazar una horizontal ab.3.Trazar una tangente por a ( ac )4.Trazar una bisectriz al ángulo formado por bac (ad).

5. Prolongar l tramo virgen hasta intersecar a la bisectriz ad en el punto f .

6. La abscisa del punto f es el valor .

De esta manera encontramos el valor de la presión de la consolidación.

(Escala log)

CAPITULO II: RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE

DE LOS SUELOS.2.1GeneralidadesEste capitulo se ocupa de la evaluación de los

parámetros de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos.

Los suelos fallan bajo una combinación de esfuerzo normal de comprensión y esfuerzo cortante en el plano de falla.

Es necesario evaluar el esfuerzo cortante en los suelos por el problema de estabilidad de los

Suelos. Estos problemas incluyen :Selección adecuada de los taludes en terrraplenes.Determinación de la carga que un suelo puede resistir con seguridad. Determinación de la capacidad de soporte para zapatas y losas de cimentación.Determinación de la resistencia al esfuerzo de De corte de las cimentaciones profundas.

1. Esfuerzo bidimensionales en un punto.

La figura ilustra el caso para una condición de esfuerzo bidimensional con el esfuerzo principal que actúan sobre los planos principales mostrados que son los siguientesAC y CB resolviendo las ecuaciones trigonométricas se determina las siguientes ecuaciones.

2. Teoría de Coulomb.Fue la primera hipótesis de la resistencia al esfuerzo de corte : S=C+TnTgo.Terzaghi (1925) hizo notar la necesidad de considerar el efecto de la presión de poros en la resistencia de suelo.Hvcrslev en (1937) utilizando datos de laboratorio verifico el uso de parámetros en Presiones efectivas y obtener la ecuación siguiente : S=C*+T*tgo*(Couloub-Hvorslev).

3. Cohesión.

Es la atracción entre partículas originada por las fuerzas moleculares y las partículas de aguaLa cohesión se mide en: Kg/cm2.En los suelos arcillosos la cohesión es lata , los suelos limosos tienen poca cohesión, en las arenas la cohesión es nula.

4. Fricción interna.

Esla resistencia al deslizamiento alcanzado por la fricción que hay entre las superficies de contacto por lo tanto depende de la granulometría del material-La fricción interna de un suelo esta definida por el ángulo cuya tg es la relación entre la fuerza que resiste al deslizamiento y la fuerza normal P aplicada.

5. Circulo de esfuerzos de MOHR.

Las ecuaciones del esfuerzo normal y esfuerzo tangencial representan un circulo de esfuerzos en el plano xy siendo su radio igual T1-T3/2, R=cortante máximo.

Es costumbre dibujar el circulo de Mohr en el primer cuadrante. Ejemplos .

6.Ensayo de corte directo.Mediante este ensayo se determina el Angulo de fricción interna y la cohesión del suelo con estos parámetros se obtiene la capacidad portante del suelo.Referencias: Astm D3080.Para el ensayo se necesita 03 muestras inalteradas con el muestreador rectangular de 10cm de lado y 4cm de altura.Se dibuja los esfuerzo normales y esfuerzos tangenciales máximos a cada nuestra(escala natural)Ejemplo.

7.Ensayo de compresión simple.Se utiliza en suelos arcillosos este ensayo permite obtener en forma cuantitativa valores de la resistencia a la compresión(qu) y por ende la resistencia al esfuerzo cortante.Referencias ASTM D-2166-98.L muestra debe ser inalterada de 4cm de diámetro y 6cm de longitud se debe determinar la densidad natural y el contenido de humedad de la muestra luego se determina la deformación axial unitaria. Los resultados se dibujan en escala natural.

8. Diagrama de esfuerzo cortante VS. deformación.

Se debe considerar el esfuerzo normal de 0.5kg/cm2 luego de 1 kg/cm2 y de 1.5kg/cm2 así como la deformación durante el ensayo.Ejemplo.

9. Diagrama de esfuerzo cortante vs. Esfuerzo normal.

Para hallar la cohesión y la fricción se grafican los datos de esfuerzo normal y esfuerzo máximo.Ejemplo.

10.Ensayo de compresión TRIAXIAL.Con este ensayo se estudia con mayor precisión los suelos finos saturados, superando inconvenientes que presenta el aparato de corte directo.El tamaño de la muestra que se ensaya en el aparato de corte triaxial depende del modelo de aparato. La altura de la muestra es el doble del diámetro.El aparato de corte triaxial permite aplicar

Primero unas tensiones horizontales(cilíndricas)T3, dando presión al agua de la célula. Luego se

aplica una tensión vertical T1de la manera que al alcanzar la rotura se obtiene un estado de tensiones tridimensional que podemos representar en un circulo de MOHR. Este ensayo traxial permite determinar las presiones intersticiales y las presiones efectivas las cuales son las que en definitiva regulan la resistencia del suelo.

11.Fenómeno de licuación de los Suelos.Es importante saber que los únicos materiales térreos que presentan este fenómeno son los suelos granulares que tengan una distribución de partículas uniforme y con cierta cantidad o contenido de materiales finos. Las condiciones para que se produzca este fenómeno son las siguientes:Distribución granulométrica, baja densidad de los materiales, ubicación bajo el nivel freático y ser sometidos a la acción de fuerzas dinámicas como las fuerzas dinámicas de sismo.

CAPITULO III: TIPOS DE FALLA Y TEORIAS DE LA CAPACIDAD PORTANTE DE LOS SUELOS.

Las cargas sobre las estructuras y su peso propio se pueden concebir como un conjunto de fuerzas que es necesario transmitir o trasladar a una zona de los mantos de suelo o roca.Para los propósitos de la ingeniería geotécnica y de fundaciones es necesario asignar a las cimentaciones un significado amplio.

1.Tipos de falla.

Existen 3 tipos de fallas:• Falla general por esfuerzo cortante: Se

presenta cuando se forma una superficie de deslizamiento bajo la zapata y progresa hacia uno o ambas lados de la misma.Esta falla se produce en los suelos densos o preconsolidados de baja compresesibilidad.

• Falla local por esfuerzo cortante: Se produce en los suelos compresibles a través de un movimiento vertical, se producen planos de deslizamiento por cortante que se prolongan hasta la superficie del terreno.

• Falla por esfuerzo cortante por penetración: Se producen en los suelos compresibles débiles a través de un movimiento vertical con planos de superficie de deslizamiento. En las arcillas limos de alta compresibilidad se observa esta falla.

•

2.Teoría de la capacidad portante de los suelos.

Se presenta desde un punto de vista teórico los métodos mas generales y principales que se han desarrollado hasta hoy para resolver el problema fundamental de determinar la capacidad de carga de los suelos para fines de ingeniería civil.

3.Teoría de Prandtl.

Para Prandtl los suelos arcillosos tienen comportamiento puramente elástico trata de calcular la máxima presión que se puede dar al elemento rígido sin que penetre en el medio semi infinito denominándose a esta presión carga límite, carga última (qu).

Al dividir ésta carga por un factor de seguridad obtenemos la capacidad admisible de suelos.

4.Teoría de Skempton.

De la relación de Terzaghi para suelos cohesivos qd=5.7C+δDf que se aplican a suelos duramente cohesivos no toma en cuenta para fijar el valor Nc la profundidad del cimiento en el estrato.Nc: Varía con la relación D/B.Nc: es función de D/B.

5.Teoría de Meyerhof.• Para cimientos superficiales en general. qd = C.Hc+ PoNq + ½ δBNδ Donde So= m(c+Po tg φ) esfuerzos tangenciales Si m = o No se desarrolla resistencia m = 1 La movilización de la resistencia es

total. Se diferencia de la Teoría del Terzaghi porque

esta considera los esfuerzos cortantes en el suelo arriba del nivel del desplante.

6.Teoría de Terzaghi.

Se fundamenta esta teoría en el comporta-miento elasto plástico de los suelos. La teoría cubre el caso mas general de suelos con cohesión y fricción es la teoría mas usada para el cálculo de capacidad de carga en los proyectos prácticos en especial en cimientos poco profundos (B≥ Df) esta teoría desprecia la resistencia al esfuerzo cortante arriba del nivel de desplante del cimiento.

7.Presión de contacto.• En la presión que actúa entre la superficie

inferior de la cimentación y el suelo. Es importante en el Proyecto Estructural porque determina la distribución del momento flexionante y de la fuerza cortante.

• Es la presión que trasmite la estructura al terreno en su nivel de cimentación Pc = P/A.

Pc = Presión de contacto Kg/cm2 P = Piso que recibe una zapata Kg A = Área de la zapata cm2

8.Capacidad portante admisible de suelos.

Después que una cimentación ha cumplido con los requisitos de ubicación y profundidad mínima, debe satisfacer otras dos condiciones: Primero debe ser adecuadamente segura contra una falla dentro de la masa del suelo.Segundo:•El asentamiento de la cimentación no debe poner en peligro la estructura.•La presión admisible se denomna = qa.

CAPITULO IV: CIMENTACIONES SUPERFICIALES.

Toda estructura debe apoyarse en el terreno para lo cual se debe considerar las características físicas, mecánicas y químicas de los mismos, los apoyos de una estructura se denominan cimentaciones y reparten, transmiten al terreno presiones que deben ser compatibles con la resistencia y su deforma-bilidad.

1.Profundidad mínima de cimentación.

La profundidad de la fase de los cimientos superficiales está regida por factores que requieren una consideración particular para cada situación, para esto se hace necesario emplear la experiencia y el buen juicio para aplicar una combinación de reglas empíricas, criterios generales, antecedentes y experiencias locales y los resultados de la investigación del subsuelo.

2.Tipos de cimentación.

• Fundaciones Aisladas• Fundaciones Continuas• Fundaciones Combinadas• Fundaciones Conectadas• Placas de Fundación

3. Zapatas aisladas.

Denominadas también fundaciones superfi-ciales resultan del ensanchamiento del extremo inferior de la columna en el plano de apoyo sobre el suelo de modo de disminuir la magnitud de las presiones de contacto con ése y asegurar la estabilidad de la super estructura.

4. Zapatas conectadas.

Soportan cargas excéntricamente aplicadas en las columnas y al unirlas mediante tensores o vigas rígidas se anula el defecto de volcamiento y se otorga estabilidad al conjunto.

5.Zapatas combinadas.

• Son las que sirven de apoyo a dos columnas muy cercanas; evitando así la superposición de sus bases aisladas la forma y dimensiones en planta debe adaptarse para que la resultante de las cargas y momentos de las columnas coincidan con el baricentro de la base de modo de obtener una distribución uniforme d presiones en toda el área de contacto con el suelo.

6.Zapatas continúas.

• Se conectan también como corridas y son las que transmiten al suelo de fundación las cargas de los muros de concreto las paredes de mampostería ó una fila de columnas alineadas próximas entre si.

7.Plateas de cimentación.

Son las que reciben las cargas de un grupo de columnas y muros. Se la utiliza cuando el área en planta de las bases aisladas resulta prácticamente la misma que la superficie del terreno bajo la construcción presentan por lo general un espesor considerable y en algunos casos tienen vigas de entramada conectando las columnas y los muros que cumplen la función de disminuir el espesor de las placas y aumentar la rigidez de la fundación

CAPITULO V: ASENTAMIENTOS.

El asentamiento se calcula usando la presión que se haya supuesto para el proyecto de a cimentación (no la capacidad de carga máxima). La magnitud del asentamiento que puede tolerar una estructura depende de su tamaño y del tipo de construcción y de si es ó no uniforme.Si todas las partes de la estructura se asientan la misma cantidad, la estructura no se dañará.

1.Asentamientos en arcillas normalmente consolidadas.

Arcillas normalmente consolidadas, son aquellas que nunca estuvieron sometidos a una presión mayor que la que corresponde a su cubierta actual.

2.Coeficiente de compresibilidad.

• El peso de la estructura ó del terraplén según se el caso incrementa la presión a que está sometida la arcilla desde Po hasta (Po + P) y origina una disminución de la relación de vacíos desde eo hasta e.

eo – e = e = av. P

av = eo - e

P

3. Coeficiente de compresibilidad volumétrica.

• La disminución de porosidad es:n = l = av. P = mv. P l+eo l+ eo

 

mv = av .

1 + eo

4. Asentamientos.

S = H. P. mv

H = Espesor de la capa de arcilla. P = Aumento de presión.

La comprensión (S) que sufre el estrato confinado de arcilla normalmente consolidada es:

S = H x Cc x Log10 Po + P

l + eo P

Cc = Índice de compresión = 0.009 (L.L. – 10%)Po = Presión efectiva en el estrato de arcilla.

eo = Relación de vacíos inicial.

P = Presión vertical en el centro de la capa de arcilla.

5.Arcillas preconsolidadas.

• Son aquellas que alguna vez en su historia geológica, han estado sometidas a presiones mayores de la que resulta de su cubierta actual. Esta mayor presión temporaria pudo haber sido causada por el peso de estratos de suelos, que fueron luego erosionados por el peso de hielo que más tarde se derritió o desecación de la arcilla.

Si. C ≥ 0.11 + 0.037 I.P. Es arcilla preconsolidada Po

Si. C ≤ 0.11 + 0.037 I.P. Es arcilla consolidada Po

C = CohesiónPo = Presión efectivaI.P. = Índice de plasticidad.

6. Velocidad de consolidación.

t = Tv. H2 U% = F (Tv)

Cv

t = Tiempo de consolidación Tv = Factor tiempo

Cv = Coeficiente de consolidación (cm2/seg)

Cv = k (l + e); k = coeficiente de permeabilidad ów.av av = coeficiente de compresibilidad

U % = Grado de consolidación en porcentaje.H = Espesor, de acuerdo a la capa, de arcilla:a.- Si es capa abierta.- La arcilla se encuentra entre estratos de arena o mantos permeables. Por tanto, el agua, para abandonar el estrao, tiene que recorrer: H/2.

CAPITULO VI: EMPUJE DE TIERRAS.

En la teoría sobre el empuje de tierras al calcular la presión ejercida sobre un muro de sostenimiento es justificable únicamente en el caso en el cual sean satisfechas las siguientes hipótesis:El muro puede desplazarse por giro o deslizamiento.La presión de poro dada el agua en un suelo no sumergido es despreciable.Las constantes del suelo que aparecen en la fórmula de empuje tienen valores definidos y pueden determinarse con exactitud.

1.Muros de sostenimiento.Generalmente todo muro de sostenimiento que no esté rígidamente empotrado en su parte superior puede ceder lo suficiente como para satisfacer la primera condición.La segunda condición es necesario que el sistema de drenaje de terreno o relleno sea eficientemente proyectado y construido. Asimismo el material del relleno debe ser estudiado antes de proyectar el muro de sostenimiento. El material debe ser colocado con cuidado ya que en este caso no puede ser determinada la resistencia al esfuerzo cortante del suelo con la precisión requerida.

2. Calculo de la Altura Crítica (Hc). de un talud vertical.

La altura crítica de un talud vertical ósea la profundidad del mismo hasta la cual se sostiene por si solo sin necesidad de sostén lateral se puede obtener de la ecuación conocida.

3. Condiciones comunes de empujes activos.

Se anotan los valores de algunas condiciones comunes del empuje de tierras que son las siguientes.

CAPITULO VII: CIMENTACIONES PROFUNDAS.

En forma general las cimentaciones pueden clasificarse en dos grupos: • Cimentaciones Directas y• Cimentaciones IndirectasUna cimentación indirecta es aquella que se lleva a cabo por elementos intermedios como los pilotes, cilindros y cajones de cimentación ya que el suelo resistente se encuentran relativamente a gran profundidad.

Para elegir el tipo de cimentación es necesario seguir los siguientes pasos: •Estudio de cargas y características del subsuelo.•Determinación de la capacidad de carga de suelo de cimentación y de los asentamientos probables.•Preparación de varios ante proyectos de los diferentes tipos posibles de cimentación.•Selección del tipo de cimentación más adecuada.

1. Clases de pilotes.Para la construcción de cimentaciones profundas se usan diferentes tipos de pilotes en el proceso constructivo dependiendo del tipo de carga por tomarse, de las condiciones del subsuelo y del nivel de agua freática dentro de los tipos de pilote tenemos:• Pilotes de acero• Pilotes de concreto• Pilotes de madera

2.Forma de transmisión de cargas.El mecanismo de transferencia de carga de un pilote al suelo es complicado se debe considerar un pilote de longitud L, la carga sobre el pilote es incrementada gradualmente de cero a Q en la superficie del terreno. Parte de esta carga será resistida por ficción lateral desarrollada a lo largo del eje Q1 y parte por el suelo debajo de la punta del pilote Q2 .

La resistencia ficcional a partir de profundidad Z se determina con la siguiente fórmula

f (z) = ∆q (z) p∆zP = perímetro de la sección transversal del pilote.

3. Pilotes hincados.

Pilotes de acero.- denominados pilotes hincados se construyen a base de tubos o de secciones H laminadas de acero cuando se espera condiciones difíciles de hincado talescomo a través de gravas densas, rocas suaves, los pilotes de acero se les adopta puntas o zapatas de hincado.Pilotes de madera.- que son troncos de árboles a los que se le ha quitado las ramas y las cortezas.

4. Pilotes moldeados en situ.

Se dividen en dos tipos básicos:• Pilotes prefabricados• Colados in situ Los prefabricados se preparan usando refuerzo ordinario, son cuadrados u octogonales de sección transversal.Los in situ se construyen haciendo un agujero en el terreno llenando luego con concreto.

5.Determinación de la carga permisible de un pilote y grupo de pilotes.

Fórmula Estática.- Se utiliza para hallar la capacidad de carga, cuando el pilote es de fricción y de punta perforado. Qd = pd . Ap + .AL

qd = Capacidad de carga del suelo, bajo la punta del pilote.Ap = Área de la punta del pilote.

Fs = Fricción lateral en la superficie de contacto, pilote – suelo.

AL = Área lateral del pilote.

Fórmula Estática en Suelos Cohesivos. Qd = CNc. Ap + s. AL

C = Cohesión al nivel de la punta del pilote.Nc = Factor de carga.

Fs = Ca (Capacidad de adherencia).

b. Fórmula Estática en Suelos Friccionantes Qd = Df Nq Ap + s. AL

Qd= oT.Nq. Ap + HC. o Tg ó . AL

oT = Df = Presión vertical efectiva hasta la punta.

o = Presión efectiva promedio en cada estrato

= ángulo de fricción entresuelo y pilote

Fórmula Dinámica.- Se utiliza para hallar la capacidad de carga en pilotes de punta hincado. Relaciona la energía transmitid por el martillo, en la cabeza del pilote. Q = E1 – EL

S E1 = Energía transmitida por el martillo.Qd = Capacidad de carga del suelo.S = Penetración por golpe del martilloEL = Pérdida de energía. 

Qd = (2). WH . H S + C WH = Peso de martillo (Lb)H = Altura de caída del martillo.S = Penetración por golpe.C = Factor de elasticidad (pulg.)