Fundamentos de ingeniería geotécnica braja m. das

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    03-Jul-2015

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Libro Fundamentos de Ingeniera geotcnica - BRAJA M. DAS

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  • 1. A Janice y Valerie

2. viAcerca del autorEl doctor Braja M. Das recibi su M.S. en Ingeniera civilde la Universidad de Iowa en la ciudad de lowa y suPh.D. en Ingeniera geotcnica de la Universidad deWisconsin, en Madison. Es autor de varios textos de ingenierageotcnica y libros de referencia; entre los cualesse incluyen Principies o[ Geotechnical Engineering,Principies o[ Soil Dynamics y Principios de ingeniera decimentaciones, todos publicados por Thomson Learning,el ltimo de reciente publicacin en espaol. Tambin haescrito ms de 200 artculos tcnicos del rea de ingenierageotcnica. Sus principales campos de investigacinson las cimentaciones superficiales, las anclas en suelos ylos materiales geosintticos.El profesor Das particip en el Shallow Founda-tionsCommittee y en el Grouring Committee. Igualmentefue miembro de la mesa editorial del Joumal o[ Geotechnical Engineering y fundadorde la Geotechnical Engineering Division de la International Society of Offshoreand Polar Engineers; ha fungido como editor asociado en el Intemational Joumal o[ Oftshoreand Polar Engineering. Recientemente colabor con la mesa editorial de la revistaLowland Technology International, que se publica en Japn. Actualmente, es el presidentedel comit sobre estabilizacin qumica y mecnica del Transportation Research Boarddel National Research Council de Estados Unidos.El doctor Das ha recibido numerosos premios por excelencia en la enseanza, incluidoel de la fundacin AMOCO, el premio AT&T por excelencia en la enseanza, dela Sociedad Norteamericana para la educacin en la ingeniera; el premio Ralph Teetorde la Sociedad de Ingenieros Automotrices y el premio por logros distinguidos en la enseanzade la Universidad de Texas, en El Paso.Desde 1994, el profesor Das funge como Decano del College of Engineering andComputer Science en la Universidad del Estado de California, en Sacramento. 3. PrefacioLos textos Principios de ingeniera de cimentaciones y Fundamentos de ingenierageotcnica fueron publicados originalmente en 1984 y 1985, respectivamente. Las obrasfueron bien recibidas por profesores, estudiantes e ingenieros practicantes. Dependiendode las necesidades de los usuarios, aqullas se revisaron x)'ctualmente estn en sus cuar-tasediciones. 'Ms recientemente se recibieron varias peticiones para elaborar un solo volumen,conciso en su naturaleza, pero que combine las componentes esenciales de los dos ttulosmencionados. Este libro es el producto de esas solicitudes: consta de 13 captulos e incluyelos conceptos fundamentales de la mecnica de suelos y de la ingeniera de cimentaciones,incluyendo la capacidad de carga y el asentamiento de cimentaciones superficiales (zapatasy losas), muros de retencin, cortes apuntalados, pilotes y pilas perforadas.La investigacin en el desarrollo de los principios fundamentales de la ingenierageotcnica, esto es, de la mecnica de suelos y la mecnica de rocas, y sus aplicaciones enel anlisis y diseo de cimentaciones, ha sido muy amplia en las ltimas.cinco dcadas. Losautores quisieran incluir todos los recientes desarrollos en un fexto; sin embargo, como stepretende ser un libro introductorio, en l se enfatizan los principios fundamentales, sinpresentar demasiados detalles y alternativas.Los profesores deben hacer hincapi, durante la clase, en la diferencia que hay entrela mecnica de suelos y la ingeniera de cimentaciones. La mecnica de suelos es la ramade la ingeniera que estudia las propiedades de los suelos y su comportamiento bajo esfuerzosy deformaciones unitarias en condiciones ideales. La ingeniera de cimentacioneses la aplicacin de los principios de la mecnica de suelos y de la geologa en la planificacin,diseo y construccin de cimentaciones para edificios, carreteras, presas, etc. Lasaproximaciones y desviaciones de las condiciones ideales de la mecnica de suelos son necesariaspara un diseo apropiado de cimientos, porque los depsitos de suelos naturalesno son homogneos, en la mayora de los casos. Sin embargo, para que una estructura funcioneadecuadamente, esas aproximaciones deben ser hechas slo por un ingeniero quetenga un conocimiento slido de la mecnica de suelos. Este libro proporciona ese conocimiento.Fundamentos de Ingeniera geotcnica est ampliamente ilustrado para ayudar a losestudiantes a entender el material. A lo largo del texto se utilizan unidades en el SistemaInternacional, adems, cada captulo incluye gran cantidad de ejemplos y se proponen problemaspara resolver en casa.vii 4. viii PrefacioReconocimientosMi esposa, Janice, ba sido una fuente continua de inspiracin y ayuda para completar elproyecto. Asimismo, quiero agradecer a las siguientes personas sus revisiones y comentariosal manuscrito:Rob O. Davis, University of CanterburyJeffrey C. Evans, Bucknell UniversityMark B. Jaksa, The University of AdelaideC. Hsein Juang, Clemson UniversityDilip K. Nag, Monasb University-Gippsland CampusJean H. Prevost, Princeton UniversityCbarles W. Scbwartz, University of Maryland, College ParkRoly J. Salvas, Ryerson Polytecbnic UniversityNagaratnam Sivakugan, Purdue UniversityJobn Stormont, University of New MexicoDobroslav Znidarcic, University of ColoradoManoocbehr Zoghi, University of DaytonMe siento agradecido con Bill Stenquist y Suzanne Jeans de Brooks/Cole PublisbingCompany por su entusiasmo y comprensin a lo largo de la preparacin y publicacindel manuscrito.Braja M. DasSacramento, California 5. ContenidoCAPiTULO '1 DEPSITOS DE SUELO Y ANLISIS GRANUlOMTRICO 11.1 Introduccin 11.2 Depsitos de suelo natural 11.3 Tamao de las partculas de suelos 21.4 Minerales arcillosos 31.5 Densidad de slidos (G,) 71.6 Anlisis mecnico del suelo 71.7 Tamao efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficinte de curvatura 12Problemas 14Referencias 16CAPTULO 2 RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS, PLASTICIDADy CLASIFICACiN DE lOS SUELOS 172.1 Relaciones volumtricas y gravimtricas 172.2 Relaciones entre peso especfico, relacin de vacos, contnido de agua y densidadde slidos 202.3 Compacidad relativa 232.4 Consistencia del suelo 272.5 Actividad 322.6 ndice de liquidez 332.7 Carta de plasticidad 342.8 Clasificacin del suelo 35Problemas 46Referencias 49ix 6. x Conten;doCAPiTULO 3 COMPAGACIN DE SUELOS 51.3.1 Compactacin; principios generales 513.2 Prueba Proctor estndar 523.3 Factores que afectan la compactacin 553.4 Prueba Proctor modificada 593.5 Estructura de un suelo cohesivo compactado 633.6 Compactacin en campo 643.7 Especificaciones para compactacin en campo 693.8 Determinacin del peso especfico de campo despus de la compactacin 71Problemas 76Referencias 78CAPTULO 4 MOVIMIENTO DEL AGUA A TRAVS DE SUELOS. PERMEABILIDADE INFILTRACiN 79Permeabilidad 794.1 Ecuacin de Bemoulli 794.2 Ley de Darcy 824.3 Permeabilidad 834.4 Determinacin en laboratorio de la permeabilidad 844.5 Relaciones empricas para la permeabilidad 914.6 Prueba de permeabilidad en campo por bombeo de pozos 94Infiltracin 974.7 Ecuacin de continuidad de Laplace 974.8 Redes de flujo 994.9 Ascencin capilar en suelos 105Problemas 107Referencias 111CAPTULO 5 ESFUERZOS EN UNA MASA DE SUELO 113Concepto de esfuerzo efectivo 1135.1 Esfuerzos en suelo saturado sin infiltracin 1135.2 Esfuerzos en suelo saturado con infiltracin 1175.3 Esfuerzo efectivo en un suelo parcialmente saturado 121Incremento del esfuerzo vertical debido a varios tipos de carga 1235.4 Esfuerzo causado por una carga puntual 1235.5 Esfuerzo vertical causado por una carga de lnea -1255.6 Esfuerzo vertical causado por una carga de franja (ancho finito y longitudinfinita) 1285.7 Esfuerzo vertical debajo del centro de un rea circular uniformementecargada 1325.8 Esfuerzo vertical causado por un rea rectangularmente cargada 1335.9 Carta de influencia para presin vertical 140Problemas 143Referencias 149 7. Contenido xiCApiTULO 6 CONSOLIDACIN 1516.1 Fundamentos de la consolidacin 1516.2 Prueba de consolidacin unidimensional en laboratorio 1546.3 Grficas relacin de vacos-presin 1556.4 Arcillas normalmente consolidadas y preconsolidadas 1596.5 Efecto de la perturbacin entre la relacin de vacos-presin 1616.6 Clculo de asentamientos por consolidacin primaria unidimensional 1636.7 ndice de compresin (Cu ) 1656.8 ndice de expansin (C,) 1666.9 Asentamiento por consolidacin secundaria 1706.10 Tasa de consolidacin 1746.11 Coeficiente de consolidacin 1806.12 Clculo de asentamientos por consolidacin primaria bajo unacimentacin 1866.13 Precompresin. Consideraciones generales 1896.14 Drenes de arena 194Problemas 200ReferenCias 206CAPTULO 7 RESISTENCIA CORTANTE DEL SUELO 2077.1 Criterios de falla de Mohr-Coulomb 2077.2 Inclinacin del plano de falla causada por cortante 2097.3 Ley de la falla por cortante en suelo saturado 211Determinacin en laboratorio de los parmetros de la resistenciacortante 2117.4 Prueba de corte directo 2127.5 Prueba de corte directo drenada sobre arena y arcillas saturadas 2167.6 Prueba de corte triaxial 2177.7 Prueba consolidada drenada 2197.8 Prueba consolidada no drenada 2277.9 Prueba no consoliaada-no drenada 2327.10 Prueba de compresin simple en arcilla saturada 2347.11 Sensitvidad y trixotropa de las arcillas 2367.12 Prueba de corte con veleta 2387.13 Relaciones empricas entre cohesin no drenada (cu) y presin efectivade sobrecarga ()"~) 242Problemas 243Referencias 246CAPiTULO 8 EXPLORACiN DEL SUBSUELO 2498.1 Programa de exploracin del subsuelo 2498.2 Perforaciones exploratorias en el campo 252 8. xii Contenido8.3 Procedimientos para muestreo del suelo 2~58.4 Observacin de los niveles del agua 2648.5 Prueba de corte con veleta 2668.6 Prueba de penetracin de cono 2698.7 Prueba del presurmetro (PMT) 2748.8 Prueba del dilatmetro 2768.9 Extraccin de ncleos de roca 2798.10 Preparacin de registros de perforacin 2828.11 Informe de la exploracin del suelo 284Problemas 284Referencias 289CAPTULO 9 PRESIN LATERAL DE TIERRA 2919.1 Presin de tierra en reposo 2919.2 Teora de Rankine de las presiones de tierra, activa y pasiva 2959.3 Diagramas para la distribucin de la presin lateral de tierra contra murosde retencin 3059.4 Muros de retencin con friccin 3229.5 Teora de la presin de tierra de Coulomb 3249.6 Anlisis aproximado de la fuerza activa sobre muros de retencin 332Problemas 334Referencias 338CAPiTULO 10 ESTABILIDAD DE TALUDES 33910.1 Factor de seguridad 33910.2 Establidad de taludes infinitos sin infiltracin 34110.3 Estabilidad de taludes infinitos con infiltracin 34410.4 Taludes finitos 34710.5 Anlisis de taludes finitos con superficie de falla circularmente cilndrica.Generalidades 35110.6 Procedimiento de masa del anlisis de estabilidad (superficie de fallacircularmente cilndrica) 35310.7 Mtodo de las dovelas 36810.8 Anlisis de estabilidad por el mtodo de las dovelas para infiltracin con flujoestablecido 37410.9 Solucin de Bishop y Morgenstern para la estabilidad de taludes simplescon infiltracin 375Problemas 380Referencias 386CAPiTULO 11 CIMENTACIONES SUPERFICIALES. CAPACIDAD DE CARGAY ASENTAMIENTO 38911.1Capacidad de carga ltima de cimentaciones superficialesConceptos generales 391391 9. 11.211.311.411.511.611.711.811.911.1011.1111.1211.1311.1411.1511.1611.17Contenido xiiiTeora de la capacidad de carga ltima 393Modificacin de las ecuaciones para la capacidad de carga por la posicindel nivel del agua 396El factor de seguridad 398Cimentaciones cargadas excntricamente 401Asentamiento de cimentaciones superficiales 412Tipos de asentamiento en cimentaciones 412Asentamiento inmediato 412Asentamiento inmediato de cimentaciones sobre arcilla saturada 414Rango de los parmetros del material para calcular el asentamientoinmediato 416Presin admisible de carga en arena basada en consideracionesde asentamiento 417Prueba de placa en campo 418Capacidad de carga admisible 422Asentamientos tolerables en edificios 422Cimentaciones con losas 425Zapata combinada y cimentacin con losas 425Tipos comunes de cimentaciones con losa 429Capacidad de carga de cimentaciones con losa 430Cimentaciones compensadas 433Problemas 436Referencias 441CAPTULO 12 MUROS DE RETENCiN Y CORTES APUNTALADOS 44512.112.212.312.412.512.612.712.812.912.1012.1112.1212.1312.1412.15Muros de retencin 445Muros de retencin. Generalidades 445Dimensionamiento de muros de retencin 447Aplicacin de las teoras de la presin lateral de tierr. Teoras de diseoRevisin del volcamiento 450Revisin por deslizamiento a lo largo de la base 453Revisin de falla por capacidad de carga 456Comentarios relati.vos a estabilidad 464Drenaje del relleno del muro de retencin 465Juntas en la construccin de muros de retencin 465Cortes apuntalados 467Cortes apuntalados. Generalidades 467Presin lateral de tierra en cortes apuntalados 469Parmetros del suelo para cortes en suelo estratificado 474Diseo de varias componentes de un corte apuntalado 475Levantamiento del fondo de un corte en arcilla 481Cedencia lateral de tabla estacas y asentamiento del terreno 487Problemas 489Referencias 493448 10. C .... 1l6WJOCAPITuLO 13 OMENTACIONES PROFUNDAS. PILOTES Y PILASPERFORADAS 495Cimentaciones con pilotes 49513.1 Necesidad de las cimentaciones con pilotes 49513.2 Tipos de pilotes y sus caractersticas estructurales 49713.3 Estimacin de la longitud del pilote 50613.4 Instalacin de pilotes 50813.5 Mecanismo de la transferencia de carga 50913.6 Ecuaciones para estimar la capacidad de pilotes 51113.7 Capacidad de carga de pilotes de punta descansando en roca 52513.8 Asentamiento de pilotes 52713.9 Frmulas para el hincado de pilotes 53013.10 Esfuerzos en pilotes durante el hincado 53513.11 Pruebas de carga de pilotes 53713.12 Friccin negativa en pilotes 53913.13 Grupos de pilotes. Eficiencia 54213.14 Asentamiento elstico de grupo de pilotes 54813.15 Asentamiento por consolidacin de grupo de pilotes 549Pilas perforadas 55213.16 Tipos de pilas perforadas 55313.17 Procedimientos de construccin 55413.18 Estimacin de la capacidad de carga 55713.19 Asentamiento de pilas perforadas bajo carga de trabajo 56413.20 Mtodo de Reese y O'Neill para calcular la capacidad de carga 564Problemas 573Referencias 579RESPUESTAS A PROBLEMAS ESCOGIDOS 581N DICE 587 11. Fundamentos deingeniera geotcnicaBraja M. DasCalifornia State University, SacramentoTHOMSON* LEARNINGAustralia. Brasil. Canad. Espaa. Estados Unidos Mxico Reino Unido. Singapur 12. Vicepresidente deEditorial y Produccin:Miguel ngel Toledo CastellanosEditor de desarrollo:Pedro de la Garza RosalesTraduccin:Jos de la CeraCorreccin de estilo:Antonio SienraRevisin tcnica:Ignacio Bernal CarreoUniversidad de las Amricas-PueblaCOPYRIGHT 2001 por InternationalThomson Editores, S. A. de C. V.,unadivisin de Thomson Learning, Inc.Thomson Learning es una marcaregistrada usada bajo permiso.Impreso en MxicoPrinted in Mexico1 234030201Para mayor informacin contctenos a:Sneca 53Col. PolancoMxico, D. F.11560Mxico y Amrica Central:Thomson LearningSneca 53Col. PolancoMxico, D. F. 11560Tel (525)281 29 06Fax (525)281 2906editor@thomsonlearning.com.mxEl Caribe:Thomson LearningHome Mortgage Plaza268 Ponce de Len ASuite 510, 5th FloorHato Rey, Puerto RicoTel (787)758-7580Fax (787)75...

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