1. 1. rK,,'~~-...11-*tOS DE, INGENIERIA DE CIMENTACIONES
2. 2. PRINCIPIOS DE, INGENIERIA DE CIMENTACIONES Cuarta Edicin BRAJA M. DAS California State University, Sacramento International Thomson Editores Mxico Albany Boston Johannesburgo Londres Madrid Melbourne Nueva York San Francisco San Juan, PR Santiago Sao Paulo Singapur Tokio Toronto Washington
3. 3. Traduccin del libro Principies ofFoundation Engineering, 4'h. Ed., publicado en ingls por PWS Publishing 1999 ISBN 0-534-95403-0 Principios de ingenierla de cimentaciones ISBN 970-686-035-5 Derechos reservados respecto a la edicin en espafiol. 2001 por Intemational Thomson Editores, S. A. de C. V. Intemational Thomson Editores, S. A. de C. V. es una empresa de THOMSON LEARNING Mxico y Amrica Central Sneca 53, Colonia Polan,co Mxico, D. F. 11560 Tel. (525) 281-2906 Fax (525) 281-2656 editor@thomsonlearning.com.mx MXICO El Caribe Tel. (787) 758-7580 Fax (787) 758-7573 thomson@coqui.net Hato Rey, PUERTO RICO Traduccin Jos de la Cera Alonso Amrica del Sur Tel. (54-11)4325-2236 Fax (54-11)4328-1829 thomson@pop.ba.net Buenos Aires, ARGENTINA Espaa Tel. (3491) 446-3350 Fax (3491) 445-6218- Madrid, ESPAA Clientes@paraninfo.es Universidad Autnoma Metropolitana, Azcapotza/co Revisin tcnica Ignacio Berna! Carrfio Universidad de las Amricas-Puebla Director editorial y de produccin: Miguel ngel Toledo Castellanos Editor de desarrollo: Pedro de la Garza Rosales Gerente de produccin: Ren Garay Argueta Correccin de estilo: Antonio Sienra Pacheco Editora de Produccin: Patricia Pantoja Valdez Diseo de portada: Jess Enrquez Tipografa: Erika Salazar, L 'atelier Lecturas: Demetrio Alemn y Guadalupe Morales 987654321 OIVO Queda prohibida la reproduccin o transmisin total o parcial del texto de la presente obra bajo cualesquiera for- mas, electrnica o mecnica, incluyendo el fotocopiado, el almacenamiento en algn sistema de recuperacin de informacin, o el grabado, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. A/l rights reserved. No part ofthis work covered by the copyright hereon may be reproduced or used in anyform or by any means -graphic, electronic, or mechanical, including photocopying, recording, taping or information storage and retrieval systems- without the written permission ofthepublisher. Impreso en Mxico Printed in Mexico
4. 4. A la memoria de mi padre, y a Janice y Valerie
5. 5. CAPTULO 1 CAPTULO 2 CONTENIDO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado 1 1.1 Introduccin 1 1.2 Distribucin granulomtrica 2 1.3 Lmites del tamao para suelos 5 1.4 Relaciones peso-volumen 6 1.5 Compacidad relativa 9 1.6 Lmites de Atterberg 15 l.7 Sistemas de clasificacin de suelos 17 1.8 Permeabilidad hidrulica del suelo 25 1.9 Filtracin en condiciones de rgimen establecido 28 1.10 Criterios para el diseo de filtros 30 1.11 Concepto de esfuerzo efectivo 32 1.12 Ascencin capilar en suelos 35 -"'- 1.13 Consolidacin. Consideraciones generales 36 1.14 Clculo de asentamientos por consolidacin 44 1.15 Tasa de consolidacin 46 1.16 Resistencia al corte 55 1.17 Prueba de compresin simple 61 1.18 Comentarios sobre los parmetros de la resistencia al corte 62 1.19 Sensitividad 66 1.20 Refuerzo del suelo. Generalidades 68 1.21 Consideraciones para el refuerzo del suelo 69 Problemas 72 Referencias 76 Depsitos naturales de suelo y exploracin del subsuelo 79 2.1 Introduccin 79 Depsitos naturales de suelo 79 2.2 Origen del suelo 79 2.3 Suelo residual 80
6. 6. vlll CAPTULO 3 Contenido 2.4 Depsitos aluviales 80 2.5 Depsitos glaciares 84 2.6 Depsitos elicos de suelos 86 2.7 Suelo orgnico 87 2.8 Algunos nombres locales para suelos 87 Exploracin subsuperficial 90 2.9 Propsito de la exploracin del suelo 90 . 2.10 Programa de exploracin del subsuelo 90 2.11 Perforaciones exploratorias en campo 94 2.12 Procedimientos para muestreo del suelo 98 2.13 Observacin de los niveles del agua fretica 108 2.14 Prueba de corte con veleta 111 2.15 Prueba de penetracin del cono 115 2.16 Prueba del presurmetro (PMT) 122 2.17 Prueba del dilatmetro 125 2.18 Extraccin de ncleos de roca 127 2.19 Preparacin de registros de perforacin 130 2.20 Determinacin de la permeabilidad hidrulica en el campo 132 2.21 "" Exploracin geofsica 135 2.22 Reporte de la exploracin del subsuelo 143 Problemas 144 Referencias 149 Cimentaciones superficiales: capacidad de carga ltima 152 3.1 Introduccin 152 3.2 Concepto general 152 3.3 Teora de la capacidad de carga de Terzaghi 156 3.4 Modificacin de las ecuaciones de la capacidad de carga por nivel de agua fretico 159 3.5 Caso histrico: capacidad de carga ltima en arcilla saturada 161 3.6 Factor de seguridad 164 3.7 La ecuacin general de la capacidad de carga 166 3.8 Efecto de la compresibilidad del suelo 172 3.9 Cimentaciones cargadas excntricamente 176 3.10 Capacidad de carga de suelos estratificados. Suelo ms fuerte sobre suelo ms dbil 187 3.11 Capacidad de carga de cimentaciones sobre un talu< 195 3.12 Capacidad de carga por sismo y asentamient1>s en suelo granular 197 Avances recientes en capacidad de carga de cimentaciones sobre suelo reforzado 202
7. 7. CAPTULO 4 Contenido lx 3.13 Cimentaciones sobre arena con refuerzo geotextil 202 3.14 Cimentaciones sobre arcilla saturada (t/J =O) con refuerzo geotextil 204 3.15 Cimentaciones sobre arena can refuerzo de geomallas 205 3.16 Cimentaciones corridas sobre arcilla saturada (t/J =O) con refuerzo de geomallas 210 3.17 Observaciones generales 212 Problemas 212 Referencias 217 Cimentaciones superficiales: capacidad de carga y asentamiento admisibles 219 4.1 Introduccin 219 lncrmento del esfuerzo vertical en una masa de suelo causado por carga en la cimentacin 220 4.2 Esfuerzo debido a una carga concentrada 220 4.3 Esfuerzo debido a un rea circularmente cargada 221 4.4 Esfuerzo debajo de un rea rectangular 222 4.5 Incremento del esfuerzo vertical promedio debido a un rea cargada rectangularmente 229 4.6 Incremento del esfuerzo bajo un terrapln 233 4.7 Incremento del esfuerzo debido a cualquier tipo de carga 237 Clculo de asentamientos 240 4.8 Asentamiento elstico basado en la teora de la elasticidad 240 4.9 Asentamiento elstico de cimentaciones sobre arcillas saturadas 245 4.10 Asentamiento de suelo arenoso: uso del factor de influencia de la deformacin unitaria 247 4.11 Rango de los parmetros del material para calcular asentamientos elsticos 250 4.12 Asentamiento por consolidacin 251 4.13 Modificacin Skempton-Bjerrum para asentamientos por consolidacin 254 4.14 Asentamiento por consolidacin. Comentarios generales y un caso histrico 256 -Capacidad permisible de carga 258 4.15 Presin permisible de carga en arena basada en consideraciones 4.16 4.17 4.18 de asentamientos 258 Prueba de carga en campo 261 Capacidad de carga presupuesta 267 Asentamientos tolerables en edificios 267 Cimentaciones con suelo reforzado 268 4.19 Cimentacin superficial sobre suelo reforzado 268
8. 8. X CAPTULO S CAPTULO 6 Contenido 4.20 Cimentacin corrida sobre suelo granular reforzado con tiras metlicas 270 4.21 Factor de seguridad para tirantes contra ruptura y zafadura 277 4.22 Procedimiento de diseo para cimentaciones corridas sobre tierra armada 279 Problemas 286 Referencias 290 Losas para cimentaciones 293 5.1 Introduccin 293 5.2 Tipos comunes para losas de cimentaciones 296 5.3 Capacidad de carga de losas para cimentaciones 297 5.4 Asentamientos diferenciales de losas para cimentaciones 303 5.5 Observaciones de asentamientos en campo para losas de cimentacin 304 5.6 Cimentaciones compensadas 307 5.7 Diseo estructural de las losas para cimentaciones 310 Problemas 330 Referencias 333 Presin lateral de tierra 334 6.1 Introduccin 334 6.2 Presin lateral de tierra en reposo 335 Presin activa 340 6.3 Presin activa de tierra de Rankine 340 6.4 Presin activa de tierra de Rankine para terrapln inclinado 347 6.5 Presin activa de tierra de Coulomb 350 6.6 Presin activa de tierra para condiciones ssmicas 358 6.7 Presin lateral de tierra por sobrecarga 363 6;8 Presin activa por rotacin del muro respecto a su parte superior. Corte apuntalado 365 6.9 Presin activa de tierra por traslacin del muro de retencin. Relleno granular 367 Presin pasiva 372 6.10 Presin pasiva de tierra de Rankine 372 6.11 Presin pasiva de tierra de Rankine. Relleno inclinado 377 6.12 Presin pasiva de tierra de Coulomb 378 6.13 Comentarios sobre la hiptesis de la superficie de falla para los clculos de la presin de Coulomb 380 Problemas 383 Referencias 386
9. 9. Contenido xi CAPTULO 7 Muros de retencin 387 7.1 Introduccin 387 Muros de gravedad y muros en voladizo 389 7.2 Dimensionamiento de muros de retencin 389 7.3 Aplicacin de las teoras de la presin lateral de tierra al diseo 390 7.4 Revisiones de la estabilidad 392 7.5 Otros tipos de posibles fallas en un muro de retencin 411 7.6 Comentarios relativos a la estabilidad 415 7.7 Drenaje del relleno del muro de retencin 418 7.8 Juntas en la construccin de muros de retencin 419 7.9 Diseo de muros de retencin de gravedad por condicin ssmica 420 Muros de retencin mecnicamente estabilizados 424 7.10 Consideraciones generales de diseo 424 7.11 Muros de retencin con refuerzo de tiras metlicas 424 7.12 Procedimiento de diseo paso a paso (refuerzo de tiras metlicas) 432 7.13 Muros de retencin con refuerzo geotextil 438 7.14 Muros de retencin con refuerzo de geomallas 443 7.15 Comentarios generales 447 Problemas 448 Referencias 451 CAPTULO 8 Estructuras de ataguas o tablaestacas 453 8.1 Introduccin 453 Muros de tablaestacas 455 8.2 Mtodos de construccin 455 8.3 Muros de tablaestacas en voladizo. Generalidades 457 8.4 Tablaestacas en voladizo en suelos arenosos 458 8.5 Casos especiales de muros en voladizo (en suelo arenoso) 464 8.6 Tablaestaca en voladizo en arcilla 469 8.7 Casos especiales de tablaestacas (en arcilla) 473 8.8 Muro con tablaestaca anclada. Generalidades 476 8.9 Mtodo del soporte libre para tablaestacas en suelo arenoso 477 8.10 Cartas de diseo para el mtodo de soporte libre (en suelo arenoso) 480 8.11 Reduccin del momento en muros con tablaestacas ancladas 486 8.12 Mtodo del soporte libre en arcilla 490 8.13 Mtodo del diagrama computacional de presin (en suelo arenoso) 493 8.14 Mtodo del soporte de empotramiento en suelo arenoso 497 8.15 Observaciones de campo para muros con tablaestacas ancladas 501 8.16 Anclas. Generalidades 504
10. 10. xll Contenido 8.17 Capacidad de sostenimiento de placas de anclaje y vigas en arena 506 8.18 Resistencia ltima de placas de anclaje y vigas en arcilla (condicin iP =O) 515 8.19 Resistencia ltima de tirantes 519 Cortes apuntalados 519 8.20 Cortes apuntalados. Generalidades 519 8.21 Envolvente de presin para el diseo de cortes apuntalados 521 8.22 ' Diseo de las diversas componentes de un corte apuntalado 525 8.23 Levantamiento del fondo de un corte en arcilla 534 8.24 Estabilidad del fondo de un corte en arena 539 8.25 Cedencia lateral de tablaestacasy asentamiento del terreno 542 8.26 Casos estudio de cortes apuntalados 546 Problemas 556 Referencias 561 CAPTULO 9 Cimentaciones con pilotes 564 9.1 Introduccin 564 9.2 Tipos de pilotes y sus caractersticas estructurales 566 9.3 Estimacin de la longitud del pilote 574 9.4 Instalacin de pilotes 575 9.5 Mecanismo de transferencia de carga 578 9.6 Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote 581 9.7 Mtodo de Meyerhof; Estimacin de Qp 584 9.8 Mtodo de Vesic; Estimacin de Qp 587 9.9 Mtodo de Janbu; Estimacin de Qp 588 9.10 Mtodo de Coyle y Castello. Estimacin de Qp en arena 589 9.11 Resistencia por friccin (Qs) en arena 590 9.12 Resistencia por friccin (superficial) en arcilla 593 9.13 Comentarios generales y capacidad admisible de un pilote 597 9.14 Capacidad de carga por punta de pilotes sobre roca 598 9.15 Pruebas de carga en pilotes 605 9.16 Comparacin de la teora con los resultados de las pruebas de carga en campo 608 9.17 Asentamiento de pilotes 615 9.18 Resistencia por extraccin de pilotes 618 9.19 Pilotes cargados lateralmente 623 9.20 Frmulas para el hincado de pilotes 637 9.21 Friccin superficial negativa 643 Grupo de pilotes 648 9.22 Eficiencia del grupo 648 9.23 Capacidad ltima de un grupo de pilotes en arcilla saturada 655 9.24 Pilotes en roca 657
11. 11. Contenido xlll ' 9.25 Asentamiento por consolidacin de un grupo de pilotes 659 9.26 Asentamiento elstico de un grupo de pilotes 663 9.27 Capacidad.por levantamiento de un grupo de pilotes 664 Problemas 666 Referencias 670 CAPTULO 10 Cimentaciones con pilas perforadas y con cajones 674 10.1 Introduccin 674 Pilas perforadas 675 10.2 Tipos de pilas perforadas 675 10.3 Procedimientos de construccin 676 10.4 Otras consideraciones de diseo 679 10.5 Mecanismo de transferencia de carga 680 10.6 Estimacin de la capacidad de carga. Generalidades 682 10.7 Pilas perforadas en arena. Capacidad de carga 683 10.8 Pilas-perforadas en arcilla. Capacidad de carga 695 10.9 Asentamiento de pilas perforadas bajo carga de trabajo 702 10.10 Capacidad de levantamiento de pilas perforadas 704 10.11 Capacidad de carga lateral 709 10.12 Pilas perforadas prolongadas hasta la roca 711 Cajones 715 10.13 Tipos de cajones 715 10.14 Espesor del sello de concreto en cajones abiertos 718 Problemas 722 Referencias 727 CAPTULO 11 Cimentaciones sobre suelos difciles 728 11.1 Introduccin 728 Suelo colapsable 728 11.2 Definicin y tipos de suelos colapsables 728 11,3 Parmetros fsicos para identificacin 729 11.4 Procedimiento para calcular el asentamiento de colapso 733 11.5 Diseo de cimentaciones en suelos no susceptibles a humedecerse 734 11.6 Diseo de cimentaciones en suelos susceptibles a la humedad 736 11.7 Casos histricos de estabilizacin de suelos colapsables 737 Suelos expansivos 739 11.8 Suelos expansivos. Generalidades 739 11.9 Mediciones de la expansin en laboratorio 740 11.10 Clasificacin de suelos expansivos con base en pruebas ndice 746 11.11 Consideraciones de cimentacin para suelos expansivos 746 11.12 Construccin sobre suelos expansivos 752
12. 12. xiv Contenido Rellenos sanitarios 757 11.13 Rellenos sanitarios. Generalidades 757 11.14 Asentamiento de rellenos sanitarios 757 Problemas 759 Referencias 761 CAPTULO 12 Mejoramiento del suelo y modificacin del terreno 764 APNDICES 12.1 Introduccin 764 12.2 Compactacin. Principios generales 765 12.3 Mtodo de un punto para obtener 'Xt 768 12.4 Correccin para la compactacin de suelos con partculas de sobretamao 772 12.5 Compactacin en campo 772 12.6 Control de la compactacin para barreras hidrulicas de arcilla 777 12.7 Vibroflotacin 781 12.8 Precompresin. Consideraciones generales 788 12.9 Drenes de arena 796 12.10 Ejemplo de la aplicacin de un dren de arena 803 12.11 Drenes verticales prefabricados (PVDs) 807 12.12 Estabilizacin con cal 807 12.13 Estabilizacin con cemento 813 12.14 Estabilizacin con ceniza voltil 815 12.15 Columnas de piedra 815 12.16 Pilotes de compactacin de arena 819 12.17 Compactacin dinmica 820 Problemas 825 Referencias 827 Apndice A Factores de conversin .829 A.1 Factores de conversin de unidades inglesas a unidades SI 829 A.2 Factores de conversin de unidades SI a unidades inglesas 830 Apndice B Capacidad de carga de cimentaciones superficiales 832 Apndice C Secciones de tablaestacas 836 Apndice D Cimentaciones con pilotes 838 Apndice E Curvas de diseo para drenes verticales prefabricados (PVDs) 846 Respuestas a problemas seleccionados 850 ndice 855
13. 13. PREFACIO La primera edicin de Principios de la ingeniera de cimentaciones, publicada en 1984, se proyect como un texto para estudiantes de la licenciatura deingeniera civil, el cual fue bien recibido por los estudiantes e ingenieros practicantes de la geotecnia. Su en- tusiasmo y comentarios ayudaron a desarrollar la segunda edicin en 1990, la tercera en 1995 y finalmente esta cuarta edicin del texto. El ncleo del texto original no cambi en forma considerable. Existen slo algunos reordenamientos del contenido en esta edicin respecto a la anterior. Se tienen ahora 12 captulos y 5 apndices. Se da a continuacin un resumen de los cambios: El captulo 1 cambi su nombre a "Propiedades geotcnicas del suelo y refuerzo del suelo", adems agreg una breve vista general de los materiales para refuer- zo del suelo como franjas metlicas galvanizadas, geotextiles y geomallas. Detalles de la prueba del presurmetro y de la prueba del dilatmetro de placa plana se agregaron al captulo 2. El captulo 3 contiene ahora slo las teoras y aplicaciones de la capacidad de carga ltima de cimentaciones superficiales. Las relaciones para la capacidad de carga l- tima de cimentaciones sobre la parte superior de un talud y los desarrollos recien- tes sobre la capacidad de carga ltima de cimentaciones superficiales en suelos reforzados con geotextiles y geomallas se incluyen ahora en este captulo. La capacidad de carga admisible de cimentaciones superficiales, incluyendo aquellas sobre tierra reforzada, basadas en criterios' de asentamiento admisible, se presentan ahora en el captulo 4. El material presentado en el captulo 5 de la tercera edicin se da ahora en los cap- tulos 6 y 7. El captulo 6 contiene las teoras de presin lateral de tierra y el captu- lo 7 contiene los principios de diseo de muros de retencin incluyendo muros de tierra mecnicamente estabilizados. Los materiales sobre tablaestacas y cortes apuntalados presentados en los captulos 6y 7, respectivamente, de la tercera edicin estn ahora combinados en uno slo (ca- ptulo 8) bajo el tema de tablaestacas. Como el texto introduce a los estudiantes de ingeniera civil a los conceptos funda- mentales del anlisis y diseo de cimentaciones, las derivaciones matemticas de al- gunas ecuaciones no se presentan; ms bien, se dan las formas finales de tales ecuaciones. Sin embargo, se incluye en cada captulo una lista de referencias para ma- yor informacin y estudio. En la preparacin del texto se presentan, donde fue posible, mltiples teoras y correlaciones empricas. La razn para presentar diferentes teoras y correlaciones XV
14. 14. xvl Prefacio es familiarizar a los lectores con el desarrollo cronolgico de los temas y con las res- puestas obtenidas tericamente con base en diferentes hiptesis. Esto convence a los lectores de que los parmetros de suelos obtenidos de diferentes correlaciones empricas no sern siempre los mismos, siendo algunos mejores que otros para una condicin dada del suelo; debido principalmente a que los suelos rara vez son homo- gneos, elsticos e istropos. El buen juicio necesario para aplicar apropiadamente las teoras, ecuaciones y grficas para la evaluacin de suelos y diseo de cimenta- ciones no puede ser sobreenfatizado o completamente enseado por ningn texto. La experiencia de campo debe complementar el trabajo en clase. Reconocimientos Doy las gracias sobre todo a mi esposa Janice quien fue la principal fuerza impulsora para la terminacin de esta edicin. Ella mecanografi las revisiones y complet las fi- guras y grficas originales. Quiero expresar tambin mi agradecimiento a Paul C. Hassler (finado) de la Uni- versidad de Texas en El Paso, a Gerald R. Seeley de la Universidad Valparaiso, a Ro- nald B. McPherson de la New Mexico State University y a Said Larbi-Cherif de Navarro yAssociates, de El Paso, Texas, por suayuda, apoyo yestmulo durante l'pre- paracin del manuscrito. Quiero dar las gracias adems a Ronald P. Anderson de Ten- sar Earth Technologies, Inc., ya Henry Ng, ingeniero consultor de El Paso, Texas, por su ayuda en el desarrollo de la cuarta edicin. Deseo tambin dar las gracias a las siguientes personas cuyos tiles comentarios me fueron de gran valor: Para la segunda edicin: M. SherifAggour University ofMaryland YongS.Chae Rutgers-The State University Para la tercera edicin: A. G. Altschaeffl Purdue University Jeffrey C. Evans Bucknell University Thomas F. Zimmie RensselaerPolytechnic Institute Para esta edicin: Yong S. Chae 1 Rutgers- The State University Manjriker Gu,taratne University ofSouth Florida William F. Kane University ofthe Pacific Samuel Clemence Syracuse University George Gezetas SUNYatBuffalo Norman D. Dennis, Jr. United States Military Academy Steven Perkins Montana State University AnilMisra University ofMissouri Rodrigo Salgado Purdue University Colby C. Swan University ofIowa
15. 15. Kenneth McManis University ofNew Orleans ' john P. Turner University of J-fYoming Prefacio xvll Doy las gracias tambin al personal de PWS Publishing Company por su inters y paciencia durante la preparacin y produccin de este texto. Agradecer cualquier sugerencia de estudiantes y profesores para usarse en edi- ciones posteriores. BrajaM. Das Sacramento, California
16. 16. CAPTULO UNO ~ PROPIEDADES GEOTECNICAS DEL SUELO Y DEL SUELO REFORZADO "1.1 .INTRODUCCION El diseo de cimentaciones de estructuras tales como edificios, puentes y presas, re- quiere el conocimiento de factores como: (a) la carga que ser trarlsmitida por la su- perestructura a la cimentacin; (b) los requisitos del reglamento local de construccin; (e) el comportamiento esfuerzo-deformacin de los suelos que sopor- tarn el sistema, y (d) las condiciones geolgicas del suelo. Para un ingeniero de ci- mentaciones, los dos ltimos factores son sumamente importantes ya que tienen que ver con la mecnica de suelos. Las propiedades geotcnicas del suelo, como la distribucin del ta.~ao del grano, la plasticidad, la compresibilidad y la resistencia por cortante, pueden ser determina- das mediante apropiadas pruebas de laboratorio. Recientemente, se ha puesto nfasis en la determinacin in situ de las propiedades de resistencia y deformacin del suelo, debido a que as se evita la perturbacin de las muestras durante la exploracin de cam- po. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias, no todos los parmetros necesarios pue- den ser determinados o no por motivos econmicos o de otra ndole. En tales casos, el ingeniero debe hacer ciertas hiptesis respecto a las propiedades del suelo. Para esti- mar la exactitud de los parmetros del suelo (determinados en el laboratorio y en el c~po o bien supuestos), el ingeniero debe tener un buen conocimiento de los princi- pios'bsicos de la mecnica de suelos. Asimismo, debe ser consciente de que los dep- sitos de suelo natural sobre los cuales las cimentaciones se construyen, no son homogneos en la mayora de los casos. El ingeniero debe entonces tener un conoci- miento pleno de la geologa de la zona, es decir, del origen y naturaleza de la estratifi- cacin del suelo, as como de las condiciones del agua del subsuelo. La ingeniera de cimentaciones es una combinacin de mecnica de suelos, geologa y buen juicio deri- vado de experiencias del pasado. Hasta cierto punto, puede denominarse un "arte". Para determinar qu cimentacin es la ms econmica, el ingeniero debe considerar la carga de la superestructura, las condiciones del subsuelo y el asentamiento tolera- ble deseado. En general, las cimentaciones de edificios y puentes puede dividirse en dos principales categoras: (1) superficiales y (2)profundas. Las zapatas aisladas, las za- patas para muros y las cimentaciones a base de losas corridas, son todas superficiales. 1
17. 17. 2 1.2 CAPTULO UNO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado . En la mayora de stas, la profundidadde empotramientopuede ser igual omenora tres ocuatro veces elancho de la cimentacin. Los trabajos conpilotes hincados ypilotesper- forados son cimentaciones profundas. stas se usan cuando las capas superiores del terreno tienen poca capacidad de apoyo o carga y cuando el uso de cimentaciones su- perficiales causar un dao estructural considerable y/o problemas de inestabilidad. Los problemas relativos a cimentaciones superficiales y con losas corridas se vern en los captulos 3, 4 y 5. En el captulo 9 se vern los trabajos con pilotes y en ellO los pilotes perforados. Recientemente aument el uso de refuerzos en el suelo para laconstruccin y dise- o de cimentaciones, muros de contencin, taludes de terraplenes y otras estructuras. Dependiendo del tipo de construccin, el refuerzo es mediante tiras metlicas galvani- zadas, geotextiles, georrejillas y geocompuestos. El uso de refuerzos en el diseo de ci- mentaciones superficiales se presenta en los captulos 3 y 4. El captulo 7 delnea los principios de refuerzo del suelo en el diseo de muros de retencin. Algunas de las pro- piedades fsicas del refuerzo del suelo se vern en la ltima parte del captulo. Esta parte sirve principalmente como repaso de las propiedades geotcnicas bsicas de los suelos. Incluye temas como distribucin granulomtrica, plasticidad, clasifica- cin de los suelos, esfuerzo efectivo,consolidacin y parmetros de la resistencia a cortante. Se basa en la suposicin de que el lector ya conoce los conceptos de un cur- so bsico de mecnica de suelos. " "DISTRIBUCION GRANULOMETRICA En cualquier masa de suelo, los tamaos de los granos varan considerablemente. Para clasificar apropiadamente un suelo se debe conocer su distribucin granulomtrica. La distribucin granulomtrica de suelos de grano grueso es generalmente determinada mediante anlisis granulomtrico por mallas. Para suelo de grano fino, la distribucin granulomtrica puede obtenerse por medio de anlisisgranulomtrico con elhidrmetro. En esta seccin se presentan las caractersticas bsicas de esos anlisis. Para descrip- ciones detalladas, consultar cualquier manual de laboratorio de mecnica de suelos (por ejemplo, Das, 1997). Anlisis granulomtrico por mallas Un anlisis granulomtrico por mallas se efecta tomando una cantidad medida de sue- lo seco, bien pulverizado y pasndolo a travs de una serie de mallas cada vez ms pequeas y con una charola en el fondo. La cantidad de suelo retenido en cada malla se mide y el por ciento acumulado de suelo que pasa a travs de cada malla es determi- nado._ Este porcentaje es generalmente denominado el "porcentaje que pasa". La tabla 1.1 contiene una lista de los nmeros de mallas usadas en Estados Unidos y el corres- pondiente tamao de sus aberturas. Estas mallas se usan comnmente para el anlisis de suelos con fines de clasificacin. El porcentaje que pasa por cada malla, determinado por un anlisis granulomtrico por mallas, se grafica sobrepapelsemilogartmico, como muestra la figura 1.1. Note que el dimetro del grano D se grafica sobre la escala logartmica y el porcentaje que pasa se grafica sobre la escala aritmtica.
18. 18. 1.2 Distribucin granulomtrica 3 T TABI.:A 1.1 Tamaos de cribas U.S. Standard Criba no. Abertura (mm) 4 4~750 6 3.350 8, 2.360 10 2.000 16 1.180 20 0.850 30 0.600 40 0.425 50 0.300 69 0.250 80 0.180 100' 0.150 140 0.106 170 0.088 200 0.075 270 0.053 lOO ,.-.. o 80"'
19. 19. 4 CAPTULO UNO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado Dos parmetros se determinan de las curvas granulomtricas de suelos de grano grueso: (1) el coeficiente de uniformidad (Cu) y (2) el coeficiente de graduacin, o coefi- ciente de curvatura (C2). Esos factores son: ~ ~ (1.1) (1.2) donde D10, D30 y D60 son los dimetros correspondientes al porcentaje que pasa 10, 30 y 60%, respectivamente. Para lacurva granulomtrica mostrada en lafigura 1.1, D10 =0.08 mm, /J30 =0.17 mm y Doo =0.57 mm. Los valores de Cu y Cz son e 0.57 71 u= 0.08 = 3 0.172 Cz= (0.57) (0.08)=63 Los parmetros Cuy Cz se usan en el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos, des- crito posteriormente en este captulo. Anlisis granulomtrico con el hidrmetro El anlisis granulomtrico con el hidrmetro se basa en el principio de la sedimenta- cin de las partculas de suelo en agua. Para esta prueba se usan 50 gramos de suelo seco, pulverizado. Un agente dejloculante se agrega siempre al suelo. El defloculante ms usado para el anlisis granulomtrico con el hidrmetro es 125 ce de solucin al 4% de exametafosfato de sodio. Se deja que el suelo se sature por lo menos 16 horas en el defloculante. Despus de este periodo de saturacin se agrega agua destilada y la mezcla suelo-agente defloculante es agitada vigorosamente. La muestra se transfie- re a una probeta de 1000 ml. Se agrega ms agua destilada a la probeta hasta la marca de 1000 ml y luego la mezcla es agitada vigorosamente. Un hidrmetro se coloca den- tro de la probeta para medir-generalmente durante un periodo de 24 horas-, la densidad de slidos de la suspensin suelo-agua en la vecindad de subulbo (figura 1.2). Los hidrmetros estan calibrados para mostrar la cantidad de suelo que est an en suspensin en cualquier tiempo dado, t. El dimetro mximo de las partculas de sue- lo an en suspensin en el tiempo t se determina mediante la ley de Stokes: D-J 1811 {L - (G.-1)rw Ft (1.3)
20. 20. 1.3 Limites del tamao para suelos 5 1L 1 ~ FIGURA 1.2 Anlisis granulomtrico con el hidrmetro donde D = dimetro de la partcula de suelo Gs = peso especfico de los slidos del suelo 1J = viscosidad del agua Yw = peso especfico del agua L = longitud efectiva (es decir, longitud medida de la superficie del agua en la probeta al centro de gravedad del hidrmetro; vase la figura 1.2) t= tiempo Las partculas de suelo con dimetros mayores que los calculados con la ecuacin (1.3) se habrn asentado ms all de la zona de medicin. As, con las lecturas tomadas en tiempos diferentes en el hidrmetro, el porcentaje de suelo ms fino que un dimetro dado D puede calcularse y prepararse una grfica de la distribucin granulomtrica. Los procedimientos de cribado e hidromtrico pueden combinarse para un suelo que tenga granos finos y gruesos. , -1.3 LIMITES DEL TAMANO PARA SUELOS Varias organizaciones han intentado desarrollar los lmites de tamao para gravas, are- nas, limos y arcillas en base a los tamaos de las partculas de los suelos. Latabla 1.2 pre- senta los lmites de tamao recomendados en el sistema de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) y en el sistema Unified Soil Clas- sification (Corps of Engineers, Department of the Army y Bureau of Reclamation). La tabla 1.2 muestra que las partculas de suelo ms pequeas que 0.002 mm son clasifica- das como arcilla. Sin embargo, las arcillas por naturaleza son cohesivas y pueden con-
21. 21. 6 CAPTULO UNO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado T TABLA 1.2 Lmites de tamao de suelos separados Sistema de clasificacin Tamao del grano (mm) Unificado , Grava; .75 mm,a4.75 nim , , Arena: 4.75 mma 0.075 mm' Lin.O y arcilla (fi11os): ~Ar~ilta:' , criteriosde plasticidad ~ GM 5::;;F200 ::; 12; CUlllPle lo criterios qe grad~cin de GWy los criterios de plaSticidad de GC 5::;; F2oo ::;; 12;:cumple los'criterios degraduacin de GP y los criterios de plasticidadde GM , 5 ::; F200 ::; 12; cumplelos ~terios degraduacin deGP y los criteriOs de Plasticidu:l'd Ge F200 'l, ylnitesdeAtterberg sobreo atn'ba de la'liell.A(figura 1.7) F2oo >12, LL>50,, 4 ::;; PI:;;;,7, y lnites de Atterberg sobre o arriba'de l lnea A (figura l.7) 5 ::; F200::; 12; cumple los criterios de graduacin de SWylos criterios de plasticidad de SM 5 ::; F2oo ::;; 12; cumple los criterios de graduacin de swy los criterids de plasticidad de se ' 5 ::; F200::; 12; cuinple los criterio$ de graduacin de SP y los criterios de plasticidad de SM 5 ::;; F20o ::;; 12; cumple los criterios de graduacin de SP y los criterios de plasticidad de se Pl 7, y lmites de Atterberg sobre o arriba de lalnea A (figura l.7) , 4 ::; Pi::;; 7, y lmites de Atterberg arriba de la lnea A (figura l.7) Lmites de Atterberg debajo de la lnea A (figura l.7) , Lmites de Atterberg n o arriba de la lnea A (figura l.7) Limo orgnico y arcilla, LLn~se
22. 36. 1.7 Sistemas de clasificad.n de los suelos 21 con el smbolo respectivo. Las tablas 1.10, 1.11 y 1.12, respectivamente, dan los crite- rios para obtener los nombres de grupos para suelo de grano grueso, para suelo inor- gnico de grano fino y para suelo orgnico de grano fino. Esas tablas se basan en la designacin D-2487 de la ASTM. ... EJEMPLO 1.4_________________________ Clasifique el siguiente suelo de acuerdo con el sistema de clasificacin AASHTO: Por ciento que pasa la criba no. 4 = 82 Por ciento que pasa la criba no. 10 = 71 Por ciento que pasa la criba no. 40 = 64 Por giento que pasa la criba no. 200 = 41 Lmite lquido = 31 ndice de plasticidad =12 Solucin: Refirase a la tabla 1.8. Ms del35% pasa por la malla no. 200, por lo que es un material arcilla-limo. Podra ser A-4, A-5, A-6 o A-7. Como LL = 31 (es decir, menor que 40) y PI= 12 (es decir, mayor que 11), este suelo cae en el grupo A-6. De la ecuacin (1.23), GI = (F200 - 35) [0.02 + 0.005 (LL - 40)] + 0.01 (F200 - 15)(PI- 10) Entonces, GI = (41- 35) [0.02 + 0.005 (31- 40)] + 0.01 (41-15) (12 -10) = 0.37"" o El suelo es A-6(0). ... EJEMPLO 1.5 _________________________ Clasifique el siguiente suelo de acuerdo con el sistema de clasificacin AASHTO. Por ciento que pasa la malla no. 4 = 92 Por ciento que pasa la malla no. 10 = 87 Por ciento que pasa la malla no. 40 =65 Por ciento que pasa la malla no. 200 = 30 Lmite lquido = 22 ndice de plasticidad = 8 Solucin: La tabla 1.8 muestra que es material granular porque menos del35% pasa por la malla no. 200. ConLL = 22 (es decir, menor que 40) y PI= 8 (es decir, menor que 10), el suelo cae en el grupo A-2-4. De la ecuacin (1.24), GI = 0.01 (F200 -15) (PI -10) = 0.01 (30 -15) (8 -10) = -0.3 ,o El suelo es A-2-4(0).
23. 37. 22 CAPTULO UNO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado 'Y TABLA 1.10 Nombres de grupos para suelos de grano grueso (Basados en la ASTM D-2487)
24. 38. 1.7 Sistemas de clasificacin de los suelos 23 T TABLA 1.11 Nombres de grupos para suelos de grano fino inorgnicos (basados en la ASTM D-2487)
25. 39. 24 CAPTULO UNO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado T TABLA 1.12 Nombres de grupos para.suelos orgnicos de grano fino (Basados en la ASTM D-2487) OH PI:?. 4 y lmites de Atterberg en o arriba de la lnea A PI< 4 y lmites de Atterberg debajo de la lnea A Lmites de Atterberg en o arriba de la lnea A '2!30 = incremento promedio de presin sobre el estrato de ar- cilla, causado por la carga agregada, el cambio de la relacin de vacos provocada por el incremento de carga es
26. 61. CAPTULO UNO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado Po+ fip tie= e log - -e Po Ahora, combinando las ecuaciones (1.62) y (1.63) se obtiene (1.63) (1.64) Para arcilla sobreconsolidada, la curva de campo e-log pse ver como la mostrada en la figura 1.22c. En este caso, dependiendo del valor de jp, pueden presentarse dos condiciones. Primera, siPo + j,p
27. 62. z (a) Nivel de agua fretica 1.15 Tasa de consolidacin 47 Tb.h j_ 'f' FIGURA 1.23 (a) Obtencin de la ecuacin (1.71); (b) naturaleza de la variacin de Llu con el tiempo quier puntoA en un tiempo t despus de la aplicacin de la carga es Llu = (.Ah) y,. Para una condicin de drenaje vertical (es decir, slo en la direccin de z) del estrato de ar- cilla, Terzaghi obtuvo la siguiente ecuacin diferencial: d(Llu) d2(Llu) a-= c. ozZ donde C" =coeficiente de consolidacin k k C=--=---- v m.r.. !!.e Llp(l + eav) Yw donde k =permeabilidad hidrulica de la arcilla Lle = cambio total de la relacin de vacos causada por un incremento LlP del esfuerzo eprom =relacin de vacos promedio durante la consolidacin m. =coeficiente volumtrico de compresibilidad =Lle/[Llp(l + eprom)] (1.69) (1.70) La ecuacin (1.69) se resuelve para obtener Llu como funcin del tiempo t con las si- guientes condiciones de frontera. l. Como se tienen estratos de arena altamente permeables en z =Oy z =He, el exceso de presin de poro desarrollada en la arcilla en esos puntos ser inme- diatamente disipada. Por consiguiente Llu =O en z =O Llu = O en z =H, =2H
28. 63. CAPTULO L~O Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado donde H =longitud de la trayectoria m.xima de drenaje (debido a una condi- cin de drenaje doble, es decir, arriba y abajo de la arcilla) 2. En el tiempo t =O, ..u =..uo =exceso inicia! de presin de poro del agua despus de la aplicacin de la carga Con las condiciones de frontera anteriores, la ecuacin (1.69) da (1.71) donde M= [(2m+ l)n-]/2 m =un entero = 1, 2, ... T, =factor de tiempo adimensional =(C,t)/H2 (1.72) Determinar el valor de campo de Cv es difciL La figura 1.24 proporciona una deter- minacin de primer orden de Cv usando el lmite lquido (Departamento de :v!arina de Muestras inalteradas: C9 en el rango de compresibilidad virgen 2~----~~~--~~~~--------~--~~~~~~------~ o-4 ~__j_l:'.!:::~:!I!Q.!:iQ!.._.,...._ 8r----:------+--+-- 61--_..;...--+--.,..._- 51----+--+-- 4x w-~~..o_..___4~.,-0_...__,~.. Cv en el rango de recompresin se encuentra arriba de este Lmite liquido, LL "f FIGURA 1.24 Rango de C" (segn el Departamento de Marina de Estados Unidos, 1971)
29. 64. 1.15 Tasa de consolidacin 49 Estados Unidos, 1971). El valor de !;.u para varias profundidades (es decir, z =oa z = 2H) en cualquier tiempo t (por ello Tv) puede calcularse con la ecuacin (l.71). La na- turaleza de esta variacin de !;.u lo muestra la figura 1.23b. Elgrado promedio de consolidacin del estrato de arcilla se define como s.U=- S,.:;.x donde U= grado de consolidacin promedio (1.73) S1 = asentamiento del estrato de arcilla en el tiempo t despus de la aplicacin de la carga S,.fJ: 60%) (1.78) Sivaram y Swamee (1977) desarrollaron tambin una relacin emprica entre Tv y Uque es vlida para Uvariando entre Oy 100%. Esto es de la forma ()( 2 Tu=r- ( -, U%)s.s o.ss7 1-- L 100 _; (1.79) Enalgunos casos, el exceso inicial de la presin de poro del agua puede no ser cons- tante con la profundidad como muestra la figura 1.25. A continuacin se dan algunos casos y las soluciones para el grado promedio de consolidacin. Variacin trapezoidal La figura 1.27 muestra una variacin trapezoidal del exceso inicial de la presin de poro del agua para un drenaje en dos direcciones. Para este caso, la variacin de Tv con U ser igual a la mostrada en la figura 1.26. Variacin senoidal Esta variacin se muestra en las figuras 1.28a y 128b. Para la va- riacin del exceso inicial de la presin de poro del agua mostrada en la figura 1.28a, Arena Arena 'f FIGURA 127 Distribucin del exceso inicial trapezoidal de la presin de poro del agua Arena Arena ' Hc=2H iy ~{i~k6~'.ifi:;'i s::~~~~nw (a) (b) 'f FIGURA i.28 Distribucin senoidal del exceso inicial de la presin de poro del agua
30. 67. 52 CAPTULO UNO Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado 10 20 30 40 50 60 70 80 90 U(%) "f' F!GURA 1.29 Variacin de Ucon Tv. Distribucin del exceso inicial con variacin senoidal de la presin de poro del agua 1TZ llu = llu. sen ZH Similarmente, para el caso mostrado en la figura 1.28b, 1TZ llu =llu.cos 4 H (1.80) (1.81) Las variaciones de Tv con Upara esos dos casos se muestran en la figura 1.29. Variacin triangular Las figuras 1.30 y 1.31 muestran varios tipos de cambio de la presin de poro del agua inicial y la variacin de Tv con el grado promedio de consoli- dacin. 'V EjEMPlO 1 . 9 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Una prueba de consolidacin en laboratorio de arcilla normalmente consolidada mos- tr lo siguiente: 140 212 0.92 0.86 La muestra probada tena 25.4 mm de espesor y estaba drenada en ambos lados. El tiempo requerido para que el especimen alcanzara 50% de consolidacin fue de 4.5 mi- nutos. Si una capa similar de arcilla en el campo, de 2.8 m de espesor y drenada por ambos lados, se somete a un incremento similar de presin promedio (es decir,Po= 140 kN/m2 y Po + txp =212 kl'~/m2 ), determine:
31. 68. Arena .
32. 69. E-- El coeficiente de consolidacin, Cv, se determina en la prueba de laboratorio. De la ecuacin (1.72),
33. 70. 1.16 Resistencia al corte 55 Para 50% de consolidacin (figura 1.26), T.= 0.197, t = 4.5 min yH =Hc/2 = 12.7 mm, por lo que e ="!"' JI2 =(0.197)(12.7) 2 =7061 2j . .: 50 t 4 5 . mm mm De nuevo, para la consolidacin en campo, U= 45.7%. De la ecuacin (1.77), r.{ U%)z r-(45.7)2 Tu= 4hoo = 100 =0164 Pero o c.t Tu= H2 T.Hz 0.164e.8 ~ lOOOr . t =- = =45,523 mm = 31.6 das c. 7.061 1.16 RESISTENCIA AL CORTE La resistencia al corte, s, de un suelo, en trminos del esfuerzo efectivo, es s = e+ G' tan rp donde G'= esfuerzo normal efectivo en el plano de corte e =cohesin, o cohesin aparente rp =ngulo de friccin (1.82) La ecuacin (1.82) se conoce como al criterio de falla de Mohr-Coulomb. El valor de epara arenas y arcillas normalmente consolidadas es igual a cero. Para arcillas sobre- consolidadas, e > O. Para la mayora de los trabajos de rutina, los parmetros de la resistencia al corte de un suelo (es decir, e y rp) son determinados por medio de dos pruebas estndar de laboratorio. Ellas son: (a) laprueba de corte directo y (b) laprueba triaxial. Prueba de corte directo La arena seca puede ser probada adecuadamente mediante pruebas de corte direc- to. La arena se coloca en una caja de corte dividida en dos (figura 1.32a). Primero se aplica una fuerza normal a la muestra. Luego se aplica una fuerza de corte a la mitad superior de la caja para generar la falla en la arena. Los esfuerzos normal y cortante en la falla son
34. 71. 56 CAPTULO t.~O Propiedades geotcnicas del suelo y del suelo reforzado N (a) Esfuerzo cortante Esfuerzo "--..:;....---L._ _.....__ _....._ normal,c qz qs (b) V FIGURA 1.32 Prueba de corte directo en arena: (a) diagrama esquemtico del equipo de prue- ba; (b) grfica de los resultados de la prueba para obtener el ngulo de friccin,