Teoria Ingenieria de Suelos II Part 2

7/29/2019 Teoria Ingenieria de Suelos II Part 2

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Ing. Hugo Bonifaz, Ing Miltón Torres



GEOTECNIA APLICADA A ESTABILIDAD DETALUDES Y VERTIENTES NATURALES

1.- GENERALIDADES.

La superficie terrestre, tal como la conocemos, resulta el equilibrio dinámico entre lasfuerzas resistentes intrínsecas de las rocas y materiales sueltos y las fuerzas solicitantesexteriores. Cualquier obra de Ingeniería que se realice es un agente perturbador de esteequilibrio, ya que puede acelerar o renovar los procesos geológicos que atentaran en sucontra a diferentes plazos.En un país como el nuestro donde hay pocas áreas exentas de actividad geológicanotoria, es imposible que las obras que construimos dejen de implantarse en estaszonas, el problema consiste entonces en determinar el grado de actividad ecológica deestas zonas y compatibilizarla con la duración de la obra.Una FALLA tectónica es una fractura de la corteza terrestre que provoca eldesplazamiento relativo de bloques a lo largo de un periodo muy largo de tiempo y su

acción puede casi siempre ser imperceptible, razón por la cual habrá que tomarlas encuenta solo cuando su actividad es muy acentuada o cuando la realización de una obraimplique una gran concentración de esfuerzos y recursos económicos, en cambio unDESLIZAMIENTO es un movimiento de corta duración que afecta a la capasuperficial de la corteza terrestre deberá ser tomado muy en cuenta en la ejecución decualquier obra de ingeniería.

Ing. Hugo Bonifaz



Cuando se van a construir obras de ingeniería en zonas consideradas vulnerables,casi siempre se enfrentara a problemas de inestabilidad, debido a las accionesexógenas que se introducen en el ambiente.El análisis de la estabilidad de las vertientes naturales y taludes, son problemas que

se refieren a la predicción de la estabilidad, con el objeto de tomar medidas preventivas o correctivas, tomando en cuenta los siguientes aspectos principales:Reconocer y clasificar el tipo de falla, definir sus características mas sobresalientesEj.: causas y velocidad del movimiento.Identificar y clasificar los materiales involucrados en el movimiento, definiendo sus

propiedades físicas y mecánicas.Seleccionar el método para el cálculo de su estabilidad.Correlacionar las observaciones de campo con los resultados del cálculo.Varios son los factores que determinan los movimientos de los materialessuperficiales de la corteza terrestre; unos intrínsecos como la textura de losdepósitos involucrados, su cohesión, coeficiente de fricción interna y contenido de

humedad que en su conjunto contribuyen en la resistencia al corte del material. Esteesquema de equilibrio puede ser alterado por la influencia de diversos factoresexternos. Cualquiera que sea la causa, los movimientos se producen cuando lasfuerzas Figura 18-1 solicitantes son superiores a la resistencia al corte.

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz



FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESTABILIDAD DEUN TALUD

Los deslizamientos son principalmente el resultado de la

disminución gradual de la resistencia al esfuerzo cortante delsuelo y del incremento de las fuerzas gravitacionales y lainfluencia de muchos otros factores, entre los cuales se pueden

mencionar los siguientes:

Geológicos

Hidrológicos

Topográficos

VegetaciónMeteorización

Sobrecargas

Impactos y Vibraciones

Ing. Hugo Bonifaz



FACTORES GEOLÓGICOSLos deslizamientos generalmente se producen en el “Horizonte A” aunque hay deslizamientos que van hasta el “Horizonte B” .

Las estructuras geológicas, los plegamientos, la inclinación obuzamientos de las capas tiene influencia sobre el principio general dedeslizamiento.

Así como son de mucha importancia en el deslizamiento de masa, loscontactos, la constitución mineralógica y espesores de los materiales.

Todos los factores tienen importancia, en mayor o menor grado aloriginarse un movimiento de masas, para definir una superficie dedeslizamiento.

Los fenómenos de inestabilidad pueden predecirse mediante el examenpreliminar de mapas geológicos ayudados con un mapa de contornostopográficos, para lo cual es de gran ayuda las fotografías aéreas.

Ing. Hugo Bonifaz



Factores Hidrológicos Es de todos conocida la importancia que tiene el agua en los deslizamientos,la cual puede presentarse como :

Agua Superficial o de escorrentía

• La lluvia y el agua producida por el deshielo penetra en las grietasproduciendo presión hidrostática; también la presión de poros aumenta y porconsiguiente la resistencia al corte de los suelos disminuye. Las medicionespluviométricas han demostrado que los movimientos de los taludes sucedenpreferiblemente en años donde la lluviosidad es muy alta.

• En suelos finos , capas o lentes de estos intercalados con rocas, lutitas

intercaladas con arenisticas, calizas. Etc., el efecto destructivo del agua esmuy fuerte, cuando las lluvias se presentan después de un largo periodo desequía; los suelos arcillosos se desecan y por lo tanto, se contraenformándose grietas o fisuras con lo cual al sucederse la lluvia, el aguafácilmente se percola a través de las grietas.

• El agua infiltrada puede correr con relativa facilidad por estas fisuras

disminuyendo a su paso la resistencia del suelo, debido a la destrucción de latensión capilar que pueda existir y el aumento de la humedad en el mismo. Elfenómeno tendrá, mayor incidencia en las fisuras que en los bloques desuelos contraídos y la falla progresará a través de estas.

Ing. Hugo Bonifaz



LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS PRODUCEN LOSSIGUIENTES EFECTOS:

El flujo de una subterránea ejerce presión sobre laspartículas de suelo, lo cual empeora la estabilidad de lostaludes.

Los cambios bruscos del nivel del agua, por ejemplo endeposito o ensambles provoca aumento de presión deporos en el talud y este en cambio puede conllevar auna disminución de la resistencia al esfuerzo cortante .

En arenas finas y limos las corrientes de aguasubterránea arrastra partículas finas, y las resistencia deltalud se debilita debido a que forman cavidades dentrodel talud .

Ing. Hugo Bonifaz



El agua confiada actúa sobre las capas superiores comosupresión.

Se a dicho que el agua ejerce un papel de lubricante a lolargo de la superficie de falla, pues esto no es cierto yaque no se puede considerar en ningún momento elefecto de disminución de la resistencia por aumento dela humedad como un efecto de lubricación.

La infiltración del agua lluvia a través de las grietas ofiguras tienden a aumentar los flujos sub-superficiales ysubterráneos, además aumenta la saturación de los

materiales y por ende aumente el momento motor

Ing. Hugo Bonifaz



FACTORES TOPOGRÁFICOS

Los cambios de la pendiente del talud pueden ser causados

por intervención natural o artificial por ejemplo: porsocavación del pie del talud, por erosión o excavaciones.

Excepcionalmente los ángulos de los taludes son empinados

como resultado de los efectos tectónicos, tales comoasentamientos o levantamientos de la corteza terrestre.

El aumento de la pendiente de los taludes produce un cambioen los esfuerzos internos de la masa y las condiciones deequilibrio son alteradas por los incrementos en los esfuerzos

cortantes.

Ing. Hugo Bonifaz



LA VEGETACIÓN

La vegetación en general protege el suelo contra

la erosión, aísla el material del medioambiente,evitando contracciones, cambios de humedad, yde temperatura, por lo tanto su papel es ayudara la estabilidad del talud.

Las raíces de los árboles mantienen la estabilidadde los taludes, absorbiendo partes de las aguassubterráneas.

La deforestación de los taludes interfieredesfavorablemente con el régimen de las aguasen las capas superficiales.

Ing. Hugo Bonifaz



METEORIZACIÓN

La intemperización, tanto mecánica como química,deteriora gradualmente la cohesión de losmateriales.

En muchos deslizamientos, las alteraciones

químicas, tales como hidratación, cambios iónicos enarcillas, contribuyen a originar los deslizamientos.

De igual manera contribuyen a estos los factoresmecánicos; son muy frecuentes deslizamientos poralteración de algunas rocas, como se mencionoantes.

Ing. Hugo Bonifaz



SOBRECARGAS

Si sobre una ladera natural se construyera un terraplén, o

se coloca un relleno o se amontonan desperdicios, seorigina un incremento en el esfuerzo cortante y en lapresión de los poros que pueden igualar o rebasar laresistencia al esfuerzo cortante del suelo y por ende es

causa de inestabilidad.Si se carga en forma rápida es mas peligroso, debido aque no hay tiempo suficiente para que la presión de porosse disipe .

Fallas antiguas pueden reactivarse por sobrecargas.

Ing. Hugo Bonifaz



IMPACTOS VIBRACIONES

Vibraciones producidas por movimientos sísmicos,explosiones de gran magnitud y vibraciones demáquinas, también afectan el equilibrio de los taludes,provocando cambios de esfuerzos temporales debidosa oscilaciones de diferente frecuencia.

En loess y loess arenosos, estos choques puedenperturbar las ligaduras intergranulares y así disminuirla cohesión.

Ing. Hugo Bonifaz



TIPOS DE INESTABILIDAD

DE

VERTIENTES NATURALES

Y TALUDES

Ing. Hugo Bonifaz



ANTECEDENTES

La tipología de los movimientos del terreno, está

basada en la naturaleza geológica( Litología , estructura, etc. ) de los depósitosafectados y sobre el mecanismo puesto en juego.

Ing. Hugo Bonifaz



CLASIFICACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE

MATERIALESLas diferencias litológicas se simplifican con la distinción

entre materiales blandos (suelos) y rocas

Los depósitos de roca para este estudio se dividen en :

Ing. Hugo Bonifaz



La estructura, el grado de fracturación y la anisotropíamecánica condicionan grandemente la génesis de lainestabilidad de las vertientes y determinan con la

naturaleza del terreno el tipo de mecanismo delmovimiento.

Los derrumbes asociados a las cavidades desarrolladasen las rocas solubles , afectan independientemente las

vertientes y las zonas poco o muy poco pendientes.

Ing. Hugo Bonifaz



Estabilidad de taludes y vertientes naturales en

depósitos de suelos



DEFINICIONES:

Vertiente Natural.-

Es la superficie inclinada que limita el terreno en suestado natural.

Talud . –

Es la superficie inclinada que limita al terreno despuésde haber realizado un corte o relleno.

Ing. Hugo Bonifaz



TIPOS DE TALUDES:

Ing. Hugo Bonifaz



La estabilidad de un talud , depende de la resistencia alcorte del suelo, que como sabemos es función de lacohesión y del ángulo de rozamiento del material quelo conforma.

Si la resistencia al corte es superada por las tensionesde corte producidas por las fuerzas actuantes, se

producirá el movimiento de la masa de suelo a lo largode una determinada superficie de falla.

Como el análisis de estabilidad es un asunto bastantecomplejo, vale el argumento que en el tratamiento deeste tema prevalece mas la probabilidad que la certeza.

Ing. Hugo Bonifaz



TIPOS DE MOVIMIENTOS

Desprendimientos (Derrumbes) . –

Porción de un macizo que se desprende cayendolibre y rápidamente y se acumula donde sedetiene.

Ing. Hugo Bonifaz



Deslizamiento.-

Es el movimiento rápido de una masa de suelo, querompiéndose del macizo, se desliza para bajo y hacia loslados a lo largo de una superficie de deslizamiento, circularen el caso de movimientos rotacionales propios de lossuelos cohesivos y homogéneos o traslacionales en caso demacizos rocosos y estratificados

Ing. Hugo Bonifaz



Si la superficie del deslizamiento pasa por el pie deltalud se denomina deslizamiento superficial y si pasa

por un punto alejado del talud se denominadeslizamiento profundo o ruptura de base.

Ing. Hugo Bonifaz



RASTRERO ( CREEP ).-

Es un desplazamiento continuo y lento de los estratossuperficiales , tiene una velocidad de desplazamiento muy

reducida y su movimiento se puede notar por la inclinaciónde los árboles y postes y aberturas que se producen en elsuelo.

Ing. Hugo Bonifaz



CAUSAS DE LOS MOVIMIENTOS

Las principales causas que producen los movimientos sedeben a:

a.- Aumento del peso del talud debido a la colocación decargas adicionales.

b.- Excavaciones próximas al pie del talud.

c.- Disminución de la resistencia al corte por infiltración deagua o saturación del suelo

Ing. Hugo Bonifaz



ANÁLISIS DE ESTABILIDAD

El análisis de la estabilidad estructural puedeabordarse considerando las siguientes analogías.Por ejemplo:Movimiento traslacional

En el caso del movimiento traslacional, sepuede considerar un bloque de material colocadosobre una superficie inclinada, tal como el que seesquematiza en la figura siguiente.

Ing. Hugo Bonifaz



H

N

w

S

Bloque que no se moverá , si existe equilibrio entre lacomponente paralela al plano inclinado de su peso H y laresistencia al rozamiento entre el bloque y la superficie

inclinada S, en base a un coeficiente de seguridad quenecesariamente tiene que ser mayor que 1.

Ing. Hugo Bonifaz



H

S

S

En donde :

Fs =Factor de Seguridad igual o mayor que la unidad.

S =Resistencia al corte del suelo S= N tang ø + c*dl

H =Esfuerzo que provoca el movimiento H= W. sen

W=Peso del material que se mueve

N= W cos

Ing. Hugo Bonifaz



En el caso de movimiento rotacional , sepuede asimilar a lo que sucede con un péndulosuspendido desde un centro de rotaciónimaginario y que se desliza sobre una superficie

cóncava tal como el que se indica en la figurasiguiente , el cual se mantendrá estático , si existeequilibro entre los momentos que producen elmovimiento ( Momento Volcador ) Mv y el queimpide el movimiento ( Momento Resistente ) Mr.

MOVIMIENTO ROTACIONAL

Ing. Hugo Bonifaz



d

R

W

S

Expresándose este equilibrio en el denominado factor deseguridad Fs el cual deberá ser mayor que 1. 1 por lo menos.

Ing. Hugo Bonifaz



En donde:Fs = Factor de Seguridad > 1.1.S = Resistencia al corte del suelo.R = Radio de la superficie de rotación.d = Distancia perpendicular del peso del suelo hacia

el centro de rotación imaginario.

d W

RS

Mv

Mr S

*

*

Ing. Hugo Bonifaz



ESTABILIDAD DE TALUDES ENDEPÓSITOS HOMOGÉNEOS

Ejercicio 1:

Se excava un talud con un inclinación con lahorizontal de 45º y de 8 m de altura en un

depósito de arcilla saturada.Que tiene un peso específico saturado de 1.9T/m3, una cohesión no drenada de cu= 5.3T/m2 y un ángulo de rozamiento interno Φ= 0º,determinar el FS de la superficie potencial de lafalla indicada en la figura

Ing. Hugo Bonifaz



4.5m

Ing. Hugo Bonifaz



Entonces:

02.2

5.5985.1211

5.4*1331.12*12.100

**

5.4

12.1003.5*9.18*

9.18180180

**

70

1339.1*1*70*1**

2)(

Fs

d W RC Mv MR Fs

md

cu LC

89.5*12.1* R L

m A

T AV W

ABCD

Ing. Hugo Bonifaz



Existen diferentes métodos para resolver el problema detaludes entre los cuales podemos mencionar los siguientes:

Método del Talud indefinidoMétodo de Culmann.Método de Taylor.Método de Fellenius.Método de Bishop.

Método de JambuMétodo de Morgesten & PriceMétodo de Spencer

Ing. Hugo Bonifaz



MÉTODO DEL TALUD INDEFINIDO

Consideremos un estrato de suelo de longitudinfinita, asentado sobre un basamento rocoso talcomo se indica en la figura.Del cual tomamos un elemento de longitud unitariay espesor h.

h

Ing. Hugo Bonifaz



E1 = E2

h

1

P

sn

t w

90º

Fuerzas que actúan sobre el elemento de sueloconsiderado.

90-

Ing. Hugo Bonifaz



βCosWσ

Cosβ*βCosWσ

Cosβ

1βCosWσ

Cosβ

1A

A

P

βCosWP

2

n

n

n

n

s

Ing. Hugo Bonifaz



t

t

s

Cos*Sen*h*γ

Cos1

Sen*W

τ

Cos

1 A

Sen*WG

A

G

Cos*h*

h*γW

2

n

Ing. Hugo Bonifaz



EL coeficiente de seguridad para que existaequilibrio será:

s

t t

CosSenh

c

tg

tg

CosSenh

c

CosSenh

Coshtg

CosSenh

cCoshtg

CosSenh

ctg n

rot

***

******

***

***

)**(*

***

*

2

2

Ing. Hugo Bonifaz



En caso de suelos no cohesivos (c = 0) y cuando no existela influencia del agua que origina presiones de infiltración lascondiciones de estabilidad se reducen a:

tg

tg

Ing. Hugo Bonifaz



Supongamos ahora que existe una red de filtración cuyaslíneas de corriente (flujo) forman un ángulo con lahorizontal.

Líneas de corriente

ol

C

D

h

NM

Ing. Hugo Bonifaz



Sea OM la equipotencial que pasa por la base del centro delelemento.

OMÉTRICACARGA PIEZ

a

a

a

γ

u

α)-Cos(β

αCos*βCos*h

γ

u

α)-Cos(β

βCos*hOM

α)-Cos(β

ONOM

αCos*OMγ

u

βCos*hON

Ing. Hugo Bonifaz



El factor de seguridad será entonces:

Pudiendo suceder los siguientes casos particulares:

s

t

t

senhc

tg tg F

hha

CosSenh

cCos

SenCoshCoshtg

F

CosSenh

ctg F

a

a

n

rot

*cos)*

cos*coscos1(*

***

)***

**(*

***

2

-

-

-

-

Ing. Hugo Bonifaz

a) Cuando el suelo no es cohesivo c = 0



a) Cuando el suelo no es cohesivo c = 0

))(*

1(

a

CosCos

Cos

tg

tg F

--

)1(

a

tg

tg F -

tg

tg F *

2

1

b) Si

c) Si 2 a

d) Caso en que

CosSenhc

Cosru

tg tg

F

hu

ru

***)1(*

*

2-

e) Caso de suelo parcialmente saturado

)*1(*

a

hha

tg tg

F

hha

-

Ing. Hugo Bonifaz



Ejercicio:

Determinar el factor de seguridad para el talud de la

figura.

cT/m3

Ing. Hugo Bonifaz



a.- Cuando no existe flujo de agua

26.2

º20º*20cos)6.3(92.1

47.1

º20

º30

*cos**

s

sentg

tg s

senh

c

tg

tg s

Ing. Hugo Bonifaz



b.- Cuando existe flujo de agua paralelo a lasuperficie del suelo α=β

43.166.077.0

34.0*94.0)6.3(92.1

47.1)

92.1

1*

60.3

55.21(

36.0

58.0

*cos***1(

-

-

s

s

senh

ca

h

ha

tg

tg s

Ing. Hugo Bonifaz



DESLIZAMIENTO PLANO DE UN TALUD

Los deslizamientos de taludes empinados en terrenoshomogéneos e isótropos se producen a veces siguiendosuperficies aproximadamente planas , también se producendesplazamientos de este tipo de rocas estratificadas.

Puesto que existe cohesión el plano mas desfavorable ha depasar por el pie del talud, suponiéndose una grieta detracción de profundidad conocida e igual a Zo.

Ing. Hugo Bonifaz



Según Taylor, esta hipótesis de la condición derotura, que además es considerada también en otrostipos de análisis de estabilidad, es aceptable para el

caso de taludes muy deficientes, con inclinacionespróximas de la vertical.

Considérese el talud de inclinación i, altura H,

representado en la figura siguiente, suponiéndoseque la rotura se produce siguiendo un plano tal comoel AD, definido por el ángulo .

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

L f ú b l d li ABD l



Las fuerzas que actúan sobre la masa deslizante ABD son, elpeso

Y la fuerza cohesiva total:

cC *Donde:

L= Longitud de ADH= Altura del taludc= Cohesión unitaria= Peso especifico del suelo

Ing. Hugo Bonifaz



Del triángulo de Fuerzas P, C y R (R = resistencia debida alrozamiento y oblicuidad ø en relación al plano de rotura) , seobtiene por la aplicación del teorema de los senos:

Substituyendo C y P por sus valores se tiene:

cos

)( -

sen

P

C

sec**-isen*icosec*2

1

*-

sen

H

c

Ing. Hugo Bonifaz



El termino c/(*H), se denomina Número deEstabilidad, es adimensional, directamenteproporcional a la cohesión del suelo e

inversamente proporcional a la altura del talud.

Para un mismo deposito de suelo con , c y øson constantes , por lo tanto la inclinación de ø

dependerá de H e i por lo que la superficie maspeligrosa o sea la superficie critica dedeslizamiento, definida por un ángulo ø crit,será obtenida anulándose la derivada primerade la expresión anterior en relación a ø.

Ing. Hugo Bonifaz



Procediéndose de ese modo se obtiene :

y

Que es el valor del número de estabilidad para elplano crítico de deslizamiento.

i H c

icrit

--

cos*isen4

cos1crit

*

2

Ing. Hugo Bonifaz

La aplicación del método se realiza calculando el valor de



La aplicación del método se realiza calculando el valor deK

Y de ahí la cohesión necesaria c para que el talud seaestable.

Que comparada con la cohesión natural del suelo c nat ,

nos provee el factor de seguridad Fs

En relación a la cohesión.

Si el talud es vertical ( i = 90° ) se tiene que crit = 45 + /2

nec

nat

c

c s

-

-

245tan

4

1crit

*

cos4

1crit

*

H

c

sen

H

c

H K C

seni

i K

nec **

cos*4

)cos(1

--

Ing. Hugo Bonifaz

SUPERFICIE DE DEZLIZAMIENTO CIRCULAR



SUPERFICIE DE DEZLIZAMIENTO CIRCULAR

Método que inicialmente fue establecido por Peterson en Suecia yque posteriormente lo desarrollo Fellenius, adopta una superficie dedeslizamiento cilíndrica de directriz circular, que se aproxima de

forma satisfactoria a la que ha sido observada en numerososdeslizamientos.

La base teórica se esquematiza en la figura que se indica acontinuación:

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Habitualmente el cálculo se realiza de la siguiente manera:



Habitualmente, el cálculo se realiza de la siguiente manera:

Se divide el prisma deslizante en fajas verticales y se calcula supeso , que se supone esta aplicado en la proyección vertical del

centro de gravedad de la faja sobre la superficie de deslizamiento, en este punto el peso W , se descompone en una componentenormal N que pasa por el centro de rotación O y en unacomponente tangencial T perpendicular a N, tomándose encuenta que las fuerzas activas que tienden a provocar eldeslizamiento de las fajas son las componentes tangenciales T y

las fuerzas resistentes o pasivas son las que están constituidaspon el rozamiento N.tang y por la cohesión c.dl, donde dl esel ancho correspondiente de la faja considerada.

Ing. Hugo Bonifaz



En esas condiciones se define como coeficiente de seguridad para la superficie dedeslizamiento considerada a la relación.

T

Lc Ntg s

Ing. Hugo Bonifaz



Srot R

sen R

sen RW v

CosW N

R

n

.

*

**

*

1

Ing. Hugo Bonifaz

- dlcdluNSrot tan



-

-

-

-

senW

dl F c

F dl uW

Wsen

dl cdl uW s

sen RW

Rdl cdl uW

s

M M

s

Rdl cdl uW

dl cdl u N Srot

V

R

R

tan.cos

.tan.cos

..

..tan..cos

..tan.cos.

.tan..

Ing. Hugo Bonifaz



Método de BISHOP Consiste en suponer una forma de rotura circular en la cual, se

divide la zona deslizada en rebanadas y para plantear lasecuaciones de equilibrio.

Ing. Hugo Bonifaz



E E

T TT

W

N

S

R

Ing. Hugo Bonifaz

SenSCosNTW **



Lc LuT W

F S

LcS LuT W

S F S

S

S F

Lc LuS T W

S

Lc Lu N S

S Cos

T W N

SenS Cos N T W

rot

rot

rot

rot

-

--

--

-

-

*tan*)*cos

()tan*tan(*

)*tan*tantan*)*

cos

(

*

*tan*)*tancos

(

*tan*)*(

tan*

Ing. Hugo Bonifaz



w

R

R

s

s

s

s

EQUILIBRIO DE MOMENTOS

Ing. Hugo Bonifaz



-

-

senW F

Lc LuCosT W

F

senW F

Lc LuCos

T W

SenW S

Sen RW RS

*

/tan*tan1

*tan)*(

*tan*tan

*tan)*(

*

***

•Multiplicamos por Fambos miembros

Aquí la incógnita es T

Ing. Hugo Bonifaz

El método simplificado de Bishop supone que T=0 no existe una solución única



El método simplificado de Bishop supone que T=0 no existe una solución únicaal método de Bishop

E

T

0 E

La formulación del método conduce a una ecuación implícita de la incógnita deseguridad F, el cual puede ser escrito si llamamos:

F ai

Pi Fm

m senW

ai

p Lc LuCos

W

D

D

-

1

*

tan*tan

*tan*)*(

(1)

Ing. Hugo Bonifaz

La ecuación (anterior) puede ser escrita:



La ecuación (anterior) puede ser escrita:

an F

Pn F

a F

P F

a F

P F F m D

*

...

2

2*

1

1**

O Multiplicada por los : denominadores

0...1 1 - bn F b nn

La Ecuación del método simplificado de Bishop es unpolinomio de orden n, el cual tendrá , en general, tantassoluciones como capas sean usadas para dividir la masadeslizante.

Cada uno de los términos hacia la derecha de laecuación representa la contribución de una capa delmomento resistente.

Donde los parámetros b son combinaciones de MD, ai, Fi.

Ing. Hugo Bonifaz

MÉTODO DE JAMBU



MÉTODO DE JAMBU

Se puede aplicar a cualquier superficie de deslizamiento

Ing. Hugo Bonifaz



Considerando todas las fuerzas tanto en sentido vertical comohorizontal.

Equilibrio de fuerzas verticales:

Equilibrio de fuerzas horizontales:

E

T

W senS cos

EcosS-sen

Ing. Hugo Bonifaz

TW



-

-

-

--

-

tan*tan*tan*cos

*tan**

costanTW

EcoscossentanWT

tancos

2

LF c LuT w

S

Lc Lu N S F

E S

S S

S T W

N

Ing. Hugo Bonifaz

Ecuación de equilibrio horizontal:



Ecuación de equilibrio horizontal:

Ecuación de Jambu

-

cos

1

cos

tantan*tan

1

cos

*tan*cos

tan

cos

0

senW

F ai

pi

F

T W F

F

Lc LuT W

T W S

E

Ing. Hugo Bonifaz

MÉTODO DE TAYLOR



MÉTODO DE TAYLOR

Para un talud de material homogéneo como el de la figura, sedenomina como numero de estabilidad N a la relación introducidapor Taylor:

En donde Fs = Factor de seguridad con relación a la cohesión y sedefine como Fs = c/cn , en donde cn es la cohesión mínimanecesaria para mantener el talud en equilibrio, teniéndose así

H Fs

c

**

Ing. Hugo Bonifaz



Para Fs=1

Que se denomina altura crítica

Al inverso de N, Terzaghi lo denomino Factor deEstabilidad.

N

c

N Fs

c

crit

1.

**

Ing. Hugo Bonifaz

Los valores de N se obtienen del gráfico que esta en función de i y



g q y siendo valido para todos los casos de deslizamiento rotacionalque pasan por el pie del talud , excepto para ø = 0° e i < 53grados, en este ultimo caso , el circulo de deslizamiento esteóricamente de radio infinito, dando para taludes menores que 53grados un número de estabilidad constante e igual a 0.181.

Por lo anteriormente indicado, se establece que la profundidadmáxima de una excavación vertical en un suelo puramentecohesivo será igual a:

Toda vez que i=90°, =0° y N=0.25

ccrit 4

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

En la practica , si el círculo de deslizamiento es restringido



En la practica , si el círculo de deslizamiento es restringidoa una cierta profundidad , debido a la existencia de unestrato de mayor resistencia, dependiendo de lascondiciones este pasara a través , arriba o abajo del pie

del talud.El numero de estabilidad para estos casos, será obtenidode las curvas de la figura siguiente.Si el circulo de deslizamiento es limitado por un estratomas resistente a una profundidad D+H, se utilizarán las

líneas llenas del gráfico, en el caso de que el circulo dedeslizamiento sea obligado a pasar por el pie del talud , seutilizarán las líneas discontinuas.Cuando el estrato resistente se encuentra al nivel de labase del talud o arriba, el círculo de deslizamiento pasará

sobre el pie del talud.En este caso la solución puede obtenerse utilizando lascurvas discontinuas, como en el segundo caso.

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

CÍRCULO DE DESLIZAMIENTO CRÍTICO



CÍRCULO DE DESLIZAMIENTO CRÍTICO

En este caso como es necesario tantear muchas

posibles superficies de deslizamiento, es necesarioque la investigación sea bien orientada , construyendouna malla desde cuyos vértices se trazan lassuperficies de deslizamiento paracalcular los factoresde seguridad.

Con todos los factores de seguridad calculados sevan uniendo los que tienen igual valor en curvas quetienen el mismo factor de seguridad tal como seobserva en la figura, determinándose que la

superficie critica a través de la cual se producirá eldeslizamiento será aquella que tienen un factor deseguridad Fs =1.1

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

EJERCICIOS



EJERCICIOSDetermine el Fs para el talud indicado en el gráfico si se

dispone de los siguientes datos:

Utilice el método de Fellenius para determinar el círculo dedeslizamiento y encuentre el Fs para este círculo planteado

Ing. Hugo Bonifaz

SOLUCIÓN



En primer lugar utilizando los valores indicados en la tabla

No localizamos el centro de rotación de la superficie dedeslizamiento

Tabla N° 1

Ing. Hugo Bonifaz

Como se trata de un talud 1:2 utilizaremos un = 25°, este



,ángulo se lo ubica con un graduador desde el talud hacia arribaen sentido antihorario.

Luego el ángulo = 35° se traza desde el extremo superior del

talud, trazando una prolongación de la superficie horizontal ydesde esta haciendo eje en el vértice superior se mide con ungraduador el ángulo de 35° en sentido horario.

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La intersección de las líneas trazadas corresponde al centroimaginario del circulo de deslizamiento que propone Felleniusen su método.

Una vez encontrado este centro, con un compás se traza elcírculo usando como radio la distancia hasta la parte baja deltalud. El radio se obtiene midiéndolo en el gráfico con unaescala.

Ing. Hugo Bonifaz

Para este ejercicio se obtuvo un radio de 15.8 m como se



jmuestra en la siguiente figura

Ing. Hugo Bonifaz

De igual forma con un graduador medimos el ángulo de deflexión quesubtiende al círculo trazado el mismo que para este ejercicio es de 113°



q p jque lo denominaremos .

Luego se divide la superficie probable de deslizamiento en rebanadasverticales con áreas aproximadamente iguales.

Ing. Hugo Bonifaz

El proceso consiste en dividirla de tal modo que se formentrapecios que permitan calcular su área su peso y su centro de



trapecios que permitan calcular su área, su peso y su centro degravedad. Mientras más rebanadas se logra obtener mayorexactitud.

Cada uno de estos trapecios tiene un área, un volumen unitario,un peso y un centroide los mismos que pueden determinarse yasea con una fórmula o directamente del gráfico.

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El área de un trapecio es:



El área de un trapecio es:

Y para determinar cada uno de los centroides se debe recordarque en un trapecio el centroide está casi en la mitad de sualtura y como se trata de rebanadas de altura reducida sepuede asumir que el centroide del trapecio está en la partecentral.

A seguir se calcula el peso de cada rebanada y se lodescompone en una fuerza normal N que pasa por el centro derotación O y una fuerza tangencial T perpendicular a la primeratal como se indica a continuación.

alturabase *2

menor basemayor

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Mv Mr s

Ing. Hugo Bonifaz

W N WsenT cos



Rdl cdl uW r

dl cr

dl c

sen RdiWdiv

sen RW

n

n

*.tan*.cos

.tan

.tanu.dl- NMr

SrotR M r

**Mv

1

1

1

1

-

s

Ing. Hugo Bonifaz

- Rdl cdl uW s

*.tan*.cos



-

T Lc N s

sen RW

dl cdl uW s

sen RW

sn

.tan

**

.tan*.cos

**

1

1

En donde L es la longitud total del círculo dedeslizamiento, c la cohesión unitaria y el ángulode rozamiento interno del suelo.

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El proceso antes mencionado se lo puede optimizar utilizando unatabla de datos en un programa de Excel , para utilizarlo solo seti di l b d l t i l h d d



tiene que medir las bases de los trapecios y el ancho de cada unotambién.El método es fácil ya que la distancia a los centroides también se

puede medir del grafico a escala con una regla o escalímetro.Esta distancia se mide desde la proyección del centro hasta elcentroide de cada trapecio, como se puede notar en la siguientefigura

Ing. Hugo Bonifaz

La integración de estas áreas parciales nos dará el áreacorrespondiente cada uno de las rebanadas tiene una profundidad



correspondiente, cada uno de las rebanadas tiene una profundidadde 1m por lo que se puede determinar el volumen de cadarebanada. De igual forma multiplicando el volumen de esta y elpeso específico del suelo se puede determinar el peso de cada una

de estas rebanadas que se puede representar como una carga enel centroide de cada trapecio. Se hace una sumatoria de momentosy se determina donde se encuentra el centroide de toda la figuraque lo identificaremos con d.

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DESARROLLO DEL MÉTODO DE FELLENIUS PARA ENCONTRAR EL Fs

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Con los datos del problema:



p

Tendremos:

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MEDIDAS PARA ESTABILIZAR



MEDIDAS PARA ESTABILIZAR ESTRUCTURALMENTE LOS TALUDES

En la práctica cuando los taludes son de poca altura , se acostumbra arecetar su inclinación en base a la experiencia común esta es unametodología sana si se tiene en cuenta la importancia de la vía, el tipo desuelo y la altura del talud; para esto se requiere experiencia y más que

todo conciencia profesional.En taludes importantes y cuando la falla de un talud implica unavulnerabilidad alta o riesgosa de vidas humanas no se podrá seguir estametodología .

La complejidad de los factores involucrados en la inestabilidad de los

taludes, no permite dar soluciones universales.Existen en términos generales muchas medidas correctivas y preventivasen la estabilidad de los taludes, las cuales se pueden utilizarsimultáneamente.

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En general todas estas medidas persiguen dos propósitos :



PRIMERO: Reducir las fuerzas motoras ósea las fuerzas que danorigen al deslizamiento.

SEGUNDO: Aumentar las fuerzas resistentes o sea las fuerzas quese oponen al deslizamiento.

Procedimiento para reducir las fuerzas Motoras.

Básicamente existen tres procedimientos para disminuir lasFuerzas motoras .

-Abatimiento del talud o remoción de material.

-Uso de drenes Subterráneos

-Construcción de bermas y escalonamientos

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El aumento de las fuerzas resistentes se logra por medio de:



Construcción de estructuras de retención, las cuales puedes ser :

Muros

Trincheras

Pilotes

Anclajes

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MEDIDAS DE PROTECCIÓN



En general todas estas medidas buscan prever posibles deslizamientos

y se puede lograr esto, mediante:

1. Empradización y revestimiento del talud

2. Colocación de terraplenes en la base de los taludes para evitar laerosión

3. Recolección de las aguas superficiales, para proteger los taludes contrala erosión y filtración

4. Sellado de grietas para evitar la filtración a través de ellas

A continuación se describe cada una de las medidas destacando las

características mas sobresalientes.

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ABATIMIENTO DEL TALUD



Es uno de los métodos mas obvios para mejorar la estabilidad de un talud .

Es las figuras (a), (b), (c), se indica la forma mas apropiada para un corte yen la figura (d) para un terraplén a pesar que es muy diferente a un corte,pues el abatimiento habrá de hacerse hacia fuera sin quitarle nada a lacorona.

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El abatimiento del talud en los cortes esta limitado al hecho de que la

inclinación de la ladera (material que se esta cortando) no resulte parecida



( q ) pa la inclinación que se desea dar el corte pues en este caso el movimientode la tierra resultara excesivo y la altura del corte muy alta.

En terraplenes la limitación principal esta en el hecho de que haya espaciodisponible para efectuar el abatimiento del talud, en caso de que si noexista este se debe hacer de abajo hacia arriba compactandocuidadosamente el material, por capas formando una buena liga con elterraplén inicial por medio de escalones.

La remoción de material en un talud suele dar soluciones permanentessiempre y cuando se cuiden en forma conveniente los aspectos de drenaje.

Este método es eficiente en movimientos rotacionales pero un posible

inconveniente que se presenta al disminuir las fuerzas motoras es quetambién se puede causar disminuciones en las fuerzas resistentes siempre

que la resistencia sea función de las fuerzas normales.

En los suelos de naturaleza cohesiva, será la altura del talud, mas que suinclinación la que defina las condiciones de estabilidad.

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USO DE DRENES Y SUB-DRENES



La principal fuente de peligro en cortes y terraplenes es el agua no controlada,cuando fluye en forma superficial o subterránea.

El agua superficial, produce arrastres, desprendimientos y socavación, lo cual va generando la inestabilidad de la masa.

Los cuidados que se tengan en el drenaje superficial y profundo son el mas eficazmedio de proteger un talud.

Las mejores obras para evitar daños por aguas superficiales son:

o Conformación del talud

o Empradizacion y revestimiento del talud

o Zanjas de coronación

o Cunetas, alcantarillas y obras de entrega

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El agua subterránea, produce un aumento del peso de la masa deslizante,un incremento de la presión hidrostática en las grietas y por ultimo un



un incremento de la presión hidrostática en las grietas y por ultimo unincremento de la presión de poros, lo cual origina una disminución de lasresistencias al esfuerzo cortante; todos estos efectos hacen que se origine

la inestabilidad de los taludes. Las principales obras que se pueden construir para evitar daños por el agua

subterránea son:

o Drenes horizontales o de penetración

o

Filtros longitudinaleso Galerías de filtración

o Trincheras estabilizadoras

o Pozos verticales

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CONFORMACIÓN DE TALUDES



Esta medida garantiza la protección del talud contra las aguas que corren alo largo de su superficie y que tratan de erosionarlo.

Se debe buscar que la pendiente del talud sea lo mas empinada posible,siempre que no se sobrepase la inclinación máxima permitida para la

estabilización del mismo. Con lo cual se logra una menor exposición de su superficie al agua.

Generalmente en suelos cohesivos (arcillosos) y pequeños cortes (2 a 3 mts.)pueden lograrse taludes verticales.

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EMPADRIZACION Y REVESTIMEINTO DEL TALUD

Con el fin de evitar daños por la acción de las aguas lluvias, los vientos yel efecto del intemperialismo en el cuerpo del talud se puede empradizary/o arborizar, para esto hay que escoger una forma adecuada y deacuerdo con la región y el tipo de suelo, la vegetación apropiada.

En términos generales la vegetación cumple dos funciones importantes

en la estabilidad de un talud:

1) disminuye el contenido de agua en la parte superficial y

2) da consistencia por el entramado mecánico de sus raíces.

Así por ejemplo, en un suelo arcilloso, seguramente conviene plantasque toman mucho agua, garantizando así una cobertura del suelo mas

resistente, pero en suelos arenosos no conviene este tipo de plantas,pues originaria un secado intenso en la superficie lo cual hace a estosmateriales mas erosionables.

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ZANJAS DE CORONACION



Las zanjas en las coronas o parte alta de un talud (rondas) son utilizadas

para interceptar y conducir adecuadamente las aguas lluvias, evitando supaso por el talud.

Las zanjas de coronación no deben construirse paralelas al eje de la vía,ni muy cerca del borde del talud, para evitar que se conviertan en elcomienzo y guía de un deslizamiento en cortés recientes .

Se recomienda que cuando se construya la zanja se de una adecuada

impermeabilización, así como suficiente pendiente para garantizar unrápido drenaje de agua captada.

Las dimensiones y ubicación de las zanjas pueden variar de acuerdo a latopografía de la zona.

Se procura que estén lo suficientemente atrás de las grietas de tensión enla corona del talud.

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DRENES HORIZONTALES O DE PENETRACION



Es un sistema de drenaje interno que consiste simplemente en una tuberíaperforada, introducida a través de la masa del suelo, previa ejecución de laperforación .

El objetivo de construir este sistema de drenaje es recoger y evacuar lasaguas subterráneas y de infiltración, drenar bolsas o estratos mas

permeables y principalmente producir un abatimiento del nivel freático (N.F.)

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Comúnmente se coloca en longitudes de 60m y en casosexcepcionales pueden llegar hasta los 100m de



excepcionales pueden llegar hasta los 100m deprofundidad, van esparcidos entre 5 y 15 m con pendientesdel 5 al 20% en perforaciones de 7.5 a 10 cms. de diámetroy tubería metálica o plástica, perforada o rasurada a todo lolargo de su longitud.

Una vez instalados los drenes horizontales se necesita unalabor de mantenimiento consistente en limpiarperiódicamente su interior, incluyendo el destapar lasperforaciones mediante un equipo apropiado como sonmaquinas de acción mecánica, provista de elementos

rotatorios que llevan cepillos de cerdas metálica.

Ing. Hugo Bonifaz

La instalación de drenes horizontales debe estar basada en loposible en sondeos exploratorios, una instalación al ojo hace que la



pos b so d os p o a o os, u a s a a ó a ojo a qu aeficiencia del dren sea muy reducida o depende de la buena suertede la instalación.

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FILTROS LONGITUDINALES



Este sistema de sub-drenaje, es usado en muchafrecuencia en obras viales y básicamente consiste en una

zanja rellena de material filtrante. La parte superior de la Zanja se tapa con un material

impermeable.

Los drenes longitudinales se utilizan para bajar el N.F. O

interceptar flujos superficiales. Existen también un sistema combinado de drenaje

superficial y sub-superficial, en los cuales se rellena laszanjas totalmente con un material permeable o sea sin

usar material impermeable para taponar la zanja. Este sistema combinado permite la captación tanto del

agua superficial como también del agua interna

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El sistema combinado de drenaje, presenta el inconveniente debido al materialfino arrastrado por el agua a través del agregado filtrante, y por lo tanto sed b l l d 5 7 ñ l t l l h d



debe lavar o remplazar cada 5 a 7 años generalmente, lo que las hace depoco uso.

Se recomienda por lo anterior que el sistema de drenaje superficial se

construye independientemente del drenaje interno.

El material filtrante debe seleccionarse teniendo en cuenta el suelo que sequiere drenar y siguiendo los criterios y recomendaciones establecido para eldiseño de filtros.

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GALERIAS FILTRANTES

E t di i t d d j bt á



Este procedimiento de drenaje subterráneo, es muyempleado en empresas de tierra, mientras que en las vías

tienen un uso mas restringido debido a su costo Se usa este método cuando el agua fluye a una

profundidad tal que es imposible interceptarla o captarlapor métodos de excavación a cielo abierto o con empleo

de drenes horizontales. La galería filtrante esta formada por un túnel de sección

adecuada y tamaño tal que se facilite su elaboración,localizada donde se juzgue mayor eficiencia para captar yeliminar las aguas que perjudiquen la estabilidad de untalud o de una ladera natural, en general la galería defiltración va por debajo de la superficie de falla

Ing. Hugo Bonifaz

Para lograr la eficiencia de este sistema de drenaje se construye pozosverticales y drenes de penetración para interceptar las aguas subterráneas y



verticales y drenes de penetración para interceptar las aguas subterráneas yque drenen a la galería.

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Un sistema de drenaje superficial bastante empleado enla estabilización de taludes son las zanjas de grandes



la estabilización de taludes, son las zanjas de grandesdimensiones rellenas de piedra y llamadas comúnmentetrincheras, se construyen longitudinalmente otransversalmente al talud.

Las trincheras longitudinales se utilizan generalmentepara desaguar fuentes localizadas de agua comomanantiales, lagunas y aguas represadas en depresiones.

Las trincheras transversales se utilizan principalmentepara captar fuentes aisladas de agua.

Las trincheras pueden ser empleados para abatir el N.F. Así como también aumenta el esfuerzo cortante, alsustituir generalmente la masa de suelo fino poragregados gruesos.

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CONSTRUCCION DE BERMAS Y ESCALONAMIENTOS



Una berma es una masa de suelo o cualquier otro material,

que se coloca al pie del talud, con el fin de incrementar laestabilidad. “No se puede dar una regla que permita fijar lasdimensiones mas convenientes para la berma en un casodado” “las dimensiones (ancho y altura) deberán calcularsepor aproximaciones sucesivas , de acuerdo con el factor de

seguridad que se desea incrementar en el talud. La construcción de bermas para aumentar la estabilidad de

un talud esta limitada el espacio de que se disponga en unavía y la facilidad de conseguir los materiales .

El escalonamiento de los taludes constituye una soluciónsimilar a la de las bermas

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El escalonamiento en suelos arcillosos busca transformar el



talud original en una serie de taludes de menor altura porlo tanto la huella de cada escalón debe sersuficientemente ancha como para que pueda funcionarprácticamente como taludes independientes.

El escalonamiento en suelos cohesivos friccionantés sehace sobre todo para provocar un abastecimiento deltalud, recoger materiales caídos y recolectar aguassuperficiales, lo cual se debe hacer con especial cuidado,pues puede ocasionar infiltraciones del agua y falla del

talud.

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MEDIDAS PREVENTIVAS

ó d d ó



Construcción de Estructuras de Retención

Cuando un talud es inestable, se ha recurrido con cierta frecuencia a suretención por medio de muros.

La solución cuando se aplica con cuidado es correcta, aunque en general escostosa.

Sin embargo, muchas son las precauciones que han de tomarse para el

proyecto y construcción de los muros. En general se debe cuidar que la cimentación del muro quede por debajo de

la superficie de falla.

Se debe prevenir contra el peligro de disminuir la estabilidad del taluddurante la construcción de la estructura de retención, al remover el suelo alpie del talud para la cimentación.

Debe dotárseles de un buen drenaje (filtros gradados, tuberías, colectoras,lagrimales, Etc.) para garantizar su estabilidad.

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En términos generales, el diseño de una estructura de retenciónrequiere de un estudio cuidadoso durante el proyecto y construcción del b



la obra.

Esto es tanto mas cierto cuanto mas altas sean las estructuras que se

requieren construir y cuanto menos consistencia tenga el suelo . Para garantizar la estabilidad debe analizarse la seguridad al

desplazamiento, al volcamiento y la falla por capacidad de carga

Entre las estructuras de retención están:

Muros de gravedad

Muros de concreto reforzado

Muros de semi-gravedad

Muros de Gaviones y otros

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LOS PILOTES

Se han utilizado en deslizamientos pequeños de tipo



p q ppredominante translaciones buscando aprovechar la acciónde arco y de voladizo. No son útiles para prevención decaídos. En masas de poca profundidad aumentan laresistencia al corte en la zona de falla en el valor requeridopara doblarlos o romperlos. Pueden ser de madera,concreto o metálicos.

Generalmente se necesita movimiento apreciable de lamasa de suelo para que entren en acción. El hincado puedealterar el suelo y empeorar la situación, efecto que se

procura evitar con pilotes pre-excavados fuertementereforzados. El uso de rieles es a veces técnica frecuente, seusan solos o como refuerzo de pilotes de concreto de grandiámetro.

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ANCLAJES

En taludes en rocas se utiliza en prevención o corrección deí



caídos o desprendimientos laminares, unen o fijan capas rocosaso grandes bloques de rocas fisuradas y fracturadas. Deben

penetrar por debajo o detrás de la superficie de falla potencial oexistente . Una aplicación de los anclajes lo constituyen laspantallas ancladas a la roca o suelos firmes por medio de lospernos.

SELLADO DE GRIETAS En zonas donde se presenta agrietamientos o fisuras, se hace

necesario sellarlas para evitar la filtración de agua a través deellas.

Se acostumbra a remover una parte del suelo alrededor de lagrieta y volver a rellenar con suelo fino impermeable bienapisonado.

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Ing. Hugo Bonifaz

GENERALIDADES



Se entiende por empuje de tierra la acción producida

por el macizo terroso sobre las obras que están encontacto con él.La determinación de su valor es fundamental en elanálisis y proyecto de obras como muros de

contención, cables estacados, construcción desubsuelos, encuentros de puentes, etc.

Siendo importante establecer en su estimación:

a. Magnitud b. Distribución c. Orientación

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a. Movimiento relativo

- Traslación horizontal



- Traslación horizontal

- Rotación alrededor del pie, alrededor de la corona, o

en puntos intermedios- Traslación vertical, condición de cimentación y

magnitud de los cuerpos que inciden sobre el muro

b. Naturaleza de los suelos

- Peso específico

- Resistencia al corte

- Deformabilidad de los suelos

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Suelo: Cohesivo (Plasticidad y consistencia)

G l (d id d l ti )



Granular (densidad relativa)

Mixtos.

Rellenos: Compactados

No compactadosHomogéneos

Heterogéneos

Compresibilidad del relleno enrelación con el macizo natural

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Tipo de terreno: HomogéneoEstratificado



EstableExpansivo

Colapsible.-Condiciones de drenaje-Constitución de la estructura de contención:-Rugosidad

-Adherencia-Resistencia de los suelos-Ángulo de rozamiento muro-suelo.

c. Geometría de la estructura de contención (quebrada, curva)

d. Cargas en el terreno (estáticas y dinámicas)

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En consecuencia el macizo que está siendo soportado se deformay aparecen tensiones de corte, los cuales conducen a unadisminución del empuje sobre la pared.



j

Si al contrario la pared AB de la figura 20-1 (b) se desplaza en

dirección al macizo, también se producen tensiones de corte en elsuelo, los cuales en este caso hacen aumentar el empuje sobre laestructura, cuando mayor sea Δ mayor será el empuje.

Estos estados límites de equilibrio o estados plásticos, el primeroes un estado de equilibrio inferior y el segundo el equilibrio essuperior llamados equilibrios de RANKINE.

El Empuje de suelo que actúa sobre un soporte que resiste y cedeuna cierta cantidad que depende de sus característicasestructurales, se denomina empuje activo (Ea), al contrario

cuando la estructura avanza contra el terreno, se denominaempuje pasivo (Ep) las presiones correspondientes se llamanpresiones activas y pasivas y los coeficientes de influencia sedenominan así mismo activo (Ka) y pasivo (Kp).

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Se puede decir que el estado activo es aquel que corresponde auna distensión del suelo y el estado pasivo el que corresponde auna compresión



una compresión.El gráfico siguiente muestra una variación de los empujes en

función de los movimientos de la estructura.

Desplazamiento del muro a partir del estado de reposo

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ORIENTACIÓN DE LAS PRESIONESEs muy interesante también conocer como se



ymoviliza el ángulo δ con las deformaciones:

δF = ángulo de rozamiento en la rotura

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δ = 0,5 a 0,85 δFSiendo δF el valor límite del ángulo de rozamiento entre lossuelos y el muro.

Con deformaciones del orden de magnitud de las que se

precisan para desarrollar el empuje activo, se movilizatotalmente δ que naturalmente no puede nunca superar a ´. Sifuertes cargas inciden sobre el muro y/o su cimentación es muymala el ángulo δ puede hacerse negativo.

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DISTRIBUCIÓN DE LAS PRESIONES A LO LARGO DEL PARÁMETRODEL MURO



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La figura 20-6 indica la posición de la resultante para diversosvalores del ángulo α en función del desplazamiento relativo delmuro.



Cuando no hay desplazamiento del muro, es decir en el empujeen reposo, las presiones crecen linealmente con la profundidad.Si el relleno es incoherente y se coloca sin compactar, laresultante puede quedar por debajo del tercio de la altura, lo cualquiere decir que nos quedamos del lado de la seguridadsuponiéndola aplicado en el tercio.

Al aumentar las deformaciones cambia la posición de la

resultante y al llegar el empuje activo la distribución de presionesse vuelve triangular.

En cuanto a la distribución de los empujes depende del tipo demovimiento aplicado al muro, si el movimiento es una traslación,la distribución de presiones varía en forma lineal con la altura, si

el movimiento es un giro alrededor del pie, la resultante quedapor encima del tercio de la altura y si el movimiento es un giroalrededor de la coronación la resultante queda ubicada a 1/5 dela altura.

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ROZAMIENTO ENTRE TIERRA Y MURO



La tabla siguiente indica los valores hallados(POTYONDY), para el rozamiento entre suelos ydiversos materiales de construcción, los ensayos serealizaron en aparato de corte.

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La resistencia al corte entre suelos cohesivos y unmaterial de construcción en su contacto viene dado



por la ecuación del tipo:

τ f = af+ σ´*tg Faf = adherencia límiteδF = ángulo de rozamiento límite entre la tierra y el

muroσ´= presión efectiva.

Cuando el contenido de arcilla es menor al 15%,af=0 y δF /φ´ varía entre 0,4 y 1,0.

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COEFICIENTE DE EMPUJ EConsideremos una masa semi-infinita de suelo y

l l l ió ti l f did d



calculemos la presión vertical σv a una profundidad z.

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Supongamos ahora que se elimina una parte del macizo semi-infinito y se lo substituye por un plano inmóvil indeformado ysin rozamiento así el estado de tensiones de la otra parte no



sin rozamiento así el estado de tensiones de la otra parte novariará

En esas condiciones la presión sobre el plano será horizontal crecerálinealmente con la profundidad valiendo:σ h = Ko * σ v = Ko . γ . z

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Tales presiones se denominarán presiones enreposo y Ko, coeficiente de empuje en reposo,



p y , p j p ,sus valores obtenidos experimentalmente son:

Suelo Ko

Arcilla 0,70 - 0,75

Arena Suelta 0,45 - 0,50 Arena Compacta 0,40 - 0,45

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PARA DETERMINAR EL VALOR TEÓRICO DE KO

Consideremos un paralelepípedo elemental de suelo situado enel interior de un macizo y a una profundidad Z



el interior de un macizo y a una profundidad Z.

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Confinado lateralmente su deformación lateral(horizontal) unitaria será nula teniéndose por



( ) plo tanto:

E=módulo de elasticidad

u=coeficiente de Poisson

uuo-

1

0**

****

* - E

z Kou

E

z Ko

E

z u

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DETERMINACIÓN DE LOS EMPUJ ESTeoría de RANKINE:Esta teoría se basa en la ecuación de rotura de Mohr



Esta teoría se basa en la ecuación de rotura de Mohr.

σ1 y σ2 =Tensiones principalesNф=tg2(45+ф/2)

Ф= ángulo de rozamiento internoc= cohesiónInicialmente observamos que en el interior de una masa de sueloconsiderada como un espacio infinito limitado apenas por lasuperficie del suelo y sin ninguna sobrecarga, una de las

tensiones principales tiene la dirección vertical y su valor esdado por el peso propio del suelo, la dirección de la otra tensiónprincipal será consecuentemente horizontal.

s s N c N 2*31

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CASO DE SUELOS NO COHESIVOS



Admitiendo que la pared AB se aleje del terraplén la

presión horizontal σn disminuirá hasta alcanzar unvalor mínimo.

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σh = σ3 = Ko . γ . hLa presión vertical σv será la presión vertical mayor.



σv = σ1 = γ . h

Continuando el desplazamiento de AB dejará dehaber continuidad de las deformaciones y seproducirá el deslizamiento a lo largo de BC quecomo sabemos forma un ángulo de 45 - φ/2 en ladirección de la presión principal mayor o 45 + φ /2con la presión principal menor.La relación:K = σh /σv asume para los suelos no cohesivos elvalor de:K = σh /σv = Ka = 1/Nφ = tg2 (45 – φ / 2) que es eldenominado coeficiente de empuje activo.

Ing. Hugo Bonifaz



La expresión del empuje activo total Ea será igualal área del triángulo ABD.

y aproximadamente está aplicada al tercio de la altura.Admitamos ahora el problema inverso esto es que la pared sedesplace contra el terraplén.

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Para que se produzca el deslizamiento el empujedeberá ser mayor que el peso del terraplén, así sepuede suponer que la presión principal mayor es la



puede suponer que la presión principal mayor es lahorizontal y la menor la vertical en esas condiciones

el valor de K pasa a ser:K = σ1 /σ3 = Kp= Nφ = tg2 ( 45 + φ / 2)

Que es el llamado coeficiente de empuje pasivo Epde manera análoga se obtiene para expresiones delempuje pasivo total será:

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De donde podemos escribir:Kp = 1 / Ka

En la siguiente figura se representa según el criteriode Mohr los tres estados en: reposo, activo ypasivo.

Ing. Hugo Bonifaz



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Si la superficie libre del terraplén tiene unainclinación los valores del empuje serán



p jrespectivamente:

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CASO DE SUELOS COHESIVOS

Para los suelos cohesivos partiendo de la ecuación de Mohr podemos



p pescribir considerando el estado activo de equilibrio límite

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que la presión horizontal se anula, siendo negativa arriba deZo y positiva abajo de esa profundidad



Ing. Hugo Bonifaz



Calculando el empuje activo total obtendremos lasiguiente expresión:



por lo cual a una profundidad

h = ho = 4c/γ tg (45 + φ/2)= 2 Zo

) 2

45 ( 2 ) 2

45 ( 2

1 σ 2 2

0

j j - - - chtg tg h hdz Ea

h

)2

45(2)2

45(.21 22 j j -- chtg tg h

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INFLUENCIA DEL AGUA FREÁTICA



La presencia de agua sobre el cálculo de laspresiones puede tomarse en cuentaconsiderando que la presión total (en el caso desuelos permeables) es igual a la suma de lapresión del agua más la del suelo con su peso

específico sumergido (cerca de 1.0 T/m3) en elcaso de suelos poco permeables se aconsejacalcular la presión considerando el suelo con supeso específico saturado (cerca de 1.9 T/m3) .

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INFLUENCIA DE SOBRECARGAS



En lo que se refiere a la sobrecarga q aplicadasobre el terreno puede considerarse como unaaltura equivalente de tierra h0 escribiendo.

h0 = q / γ

= peso específico del sueloLa presión a una profundidad Z, será entonces:

K. γ .z + k .γ .ho

K = Ka -o- Kp conforme sea el caso y en este casola resultante estará arriba del tercio de la altura dela pared.

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MÉTODO GRÁFICO DE PONCELET Adoptado el perfil de muro y establecido el espesor (e) delmismo en su coronamiento, de acuerdo al material, se dibujala silueta de muro y luego se procede a verificar su



la silueta de muro y luego se procede a verificar suestabilidad, con el cálculo gráfico que se indica acontinuación.Se traza la recta OP con el ángulo φ dado. Sobre OP se trazala semicircunferencia, Por el punto A se baja la "recta deorientación" AB, con un ángulo (φ + φ').Desde el punto B se traza la recta BC, perpendicular a OP.Haciendo centro en O se rebate el punto C en C'.Por el punto C` se traza la recta C'D, paralela a AB yhaciendo centro en C' se rebate el punto D en F uniendo Fcon, D, se obtiene el "triángulo de empuje" C'DF.Se calcula ahora la superficie S real de este triángulo.Multiplicando esta superficie por 1 m. de fondo y por el pesoespecífico de la tierra ( ) se obtendrá la potencia del empuje:

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E = Sm2 x 1m x γ Kg/m3 = ......Kg.

OP = talud natural de la tierra



OP = talud natural de la tierra

φ' = ¼ φ para terraplenes expuestos a emberse deagua

φ = ángulo del talud natural

AB = recta de orientación.

φ' = ½ φ- dirección del empuje

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VALORES DE "m"



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EXISTEN OTROS MÉTODOS

De cálculo de los empujes tales como el de



De cálculo de los empujes tales como el de

Culmann.Métodos de los estados límites de la espirallogarítmica, etc. que también pueden ser

aplicados en el cálculo de los empujes y quepueden consultarse en los respectivostratados de mecánica de suelos o diseño deestructuras de contención.

Ing. Hugo Bonifaz

DISEÑO GEOTÉCNICO DE MUROS DE CONTENCIÓN

Para diseñar estructuralmente una estructura de



contención es necesario verificar la seguridad al

vuelco, al deslizamiento y a la rotura del suelo decimentación como se indica en el siguiente ejemplodel muro de contención de hormigón simple que seindica en la Fig.Datos: Peso específico del Hormigón c = 2.4 T/ m3Cohesión del suelo c = 0 Angulo de rozamiento interno = 34 Coeficiente de rozamiento entre el suelo y muro

= 0.6Peso específico aparente del suelo = 2 T/m3

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Solución:

1.- Peso del muro



P1 = 6 x 0.8 x 1 x 2,4 = 11,52 T/m

P2 = 3,2 x 1,5 x 1 x 2,4 = + 11,52 T/m

V = 23.04 T/m

2.- Empuje del suelo (METODO DE RANKINE)

Para ф = 34o Ka=0,283Ea=1/2*2*62*0,283=10,2 T/m

Kaha ***2

1 2

Ing. Hugo Bonifaz



σ = Ka * γ * h = 0,283 x 2 x 6 = 3,4 T/m

Punto de aplicación de la resultante en la base del muro



d = V x X1 - Ea x Y = (23.04 x 2.6) – (10.2 x 2) =1,71m

V 23,04

e = 0,29 < b/6 = 4/6 = 0,66

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Ing. Hugo Bonifaz



ANTECEDENTES

El comportamiento de los suelos ante cargas estáticas, esfi i t t id l ió l ó it d l



suficientemente conocido, con relación a los propósitos de la

mayoría de los problemas que plantea la ingeniería práctica. Perosu síntesis es prácticamente imposible, dado que estecomportamiento tensión deformación no es lineal y corresponde engeneral a la mecánica de los medios discontinuos o estádeterminado por las siguientes características:

• Tipo de suelo (cohesivo o granular)

• Contenido de humedad (saturación o no)

• Compacidad

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• Posibilidad de drenaje

• Historia de presiones sufridas



• Trayectoria de variación de esfuerzos

El número de factores influyentes es importante, quesumados a las complejas condiciones de campo quepresenta el suelo, hacen sumamente difícil resumir las

características del comportamiento estático de los suelos.Frente a solicitaciones dinámicas la complejidad defactores intervinientes se acentúa.

Ing. Hugo Bonifaz

CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS COHESIVOSSOMETIDOS A ESFUERZOS DINÁMICOS

L í li d i i l t d l



Las cargas cíclicas, que producen inversiones completas de los

esfuerzos, disminuyen la resistencia cortante de suelos cohesivossaturados al inducir un incremento progresivo de la presión de poro deagua.

El monto de la degradación depende principalmente de la intensidaddel esfuerzo cortante cíclico, el número de ciclos de carga, los

antecedentes de esfuerzos del suelo y el tipo de prueba cíclica que seutiliza.

El potencial de degradación de la resistencia se puede determinar conpruebas post-cíclicas como la prueba de compresión triaxial noconsolidada, no drenada que es apropiada y se usa mucho para

determinar τu (resistencia al corte no drenada) en muestras de buena calidad relativa (poco alteradas).

Ing. Hugo Bonifaz

CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS NO COHESIVOSSOMETIDOS A SOLICITACIONES DINÁMICAS

En s elos sat rados sin cohesión s jetos a cargas cíclicas se presenta



En suelos saturados y sin cohesión sujetos a cargas cíclicas se presenta

una reducción importante de resistencia, si la carga cíclica se aplicacon periodos menores al tiempo necesario para alcanzar una disipaciónsignificativa de la presión de poro. Si el número de ciclos de cargas no es suficiente para generar presionesde poro que se aproximen a la presión de confinamiento en una zona

de suelo, se inducen deformaciones excesivas y finalmente la falla,(licuefacción).

Para una presión de confinamiento dada y un nivel de esfuerzoscíclicos, el número de ciclos necesarios para inducir la licuefaccióninicial aumenta con el incremento de la densidad relativa.

La resistencia al corte cíclico se investiga por lo común con pruebastriaxiales cíclicas y, en ocasiones, con pruebas de cortante simple,directo y cíclico.

Ing. Hugo Bonifaz

La vibración se reconoce como un efectivo significado dedensificación de suelos sin cohesión.

Las vibraciones causadas por terremotos pueden conducir a la



densificación de depósitos de suelo sueltos sin cohesión y

asociados con asentamientos de la superficie del suelo.Los asentamientos del suelo debidos a la densificación puedenconducir a los asentamientos diferenciados en una estructura.

Si una porción de un edificio se asienta sobre materiales firmes o un

pilote de fundación y otra parte fundada en un relleno o en materiales sueltos, los asentamientos diferenciales causados por vibraciones del terremoto pueden afectar seriamente la continuidadde la estructura.

Ing. Hugo Bonifaz

RIGIDEZ DINÁMICA La relación entre la tensión de corte, t, y la deformación angular, , queésta produce, se establece cómo:



t= G*

donde G es el "módulo de rigidez transversal del suelo". Este módulo se ha usado para medir la rigidez dinámica del suelo, quedepende entre otros factores de la compacidad de la presión efectiva de confinamiento, de la historia de presiones y de la magnitud de ladeformación angular provocada. Se comprobó experimentalmente que el módulo de rigidez GO, parapequeñas deformaciones, tanto en arenas como en arcillas normalmenteconsolidadas; crece con la raíz cuadrada de la presión deconfinamiento.

Ing. Hugo Bonifaz

Se admite con bastante aproximación, que aquel quedarepresentado por una ley del tipo:

* KG



00 * s K G

donde:

K = constante característica de cada suelo σ‘0 = presión vertical efectiva o de confinamiento

[kg/cm

2

]

En las arenas K es función de su densidad relativa; y Hardin yDrmevich (1972) propusieron la ecuación:

e

e

-

1

976.2*325

2

Siendo e el índice de vacíos. Ing. Hugo Bonifaz

En las arcillas, K es función de la resistencia a corte sin drenaje.Seed e Idriss (1970) propusieron la correlación:



donde: su es la resistencia al corte sin drenaje. La magnitud de la deformación angular inducida tiene unainfluencia preponderante en el valor de G. Para todos los tipos desuelo se ha observado experimentalmente que, el módulo derigidez disminuye considerablemente con el aumento de la

deformación. La tabla 1, calculada a partir de experiencias deSerf, N; Makdisi, F. I. y otros (1976),resume lo expuesto:

2

2

1976.2*325

cm Kg

ee

-

Ing. Hugo Bonifaz

TABLA 1 DEFORMACIÓN ANGULAR

G[kg/cm2]Material



=0.001

%

=0.1%

Arenas

(s’ 0= 1 kg/cm2)

1300 200

Arcillas(Su =0.5kg/cm2)

850 200

donde: • σ‘0 : presión efectiva de confinamiento • su: resistencia al corte sin drenaje

La repetición de cargas dinámicas provoca: • en arenas, un aumento de su rigidez dinámica; • en arcillas, una disminución de su rigidez dinámica.

Ing. Hugo Bonifaz

COMPORTAMIENTO HISTERÉTICO Y AMORTIGUAMIENTO

En la Figura se muestra un ciclo teórico de histéresis en cargatangencial y deformación angular, que representaría condicionesideales de ensayo



ideales de ensayo

Figura1: Ciclo de histéresis típico para esfuerzo cortante versus deformación angular

G1 G2t

t2

A'

F

B

0

A

C

2

t

E

D

Amortiguamiento Relativo:=

'...4

...

OAAtriángulo Area

ABCDEF ohisteráticlazo Area

Ing. Hugo Bonifaz

Sirve especialmente para definir y mostrar gráficamente algunos

parámetros y características generales.

Se muestra la curva de "carga noval", que representa el comportamientotenso-deformación en cargas crecientes monótonamente hasta la rotura



tenso-deformación en cargas crecientes monótonamente hasta la rotura.

La componente plástica de la deformación cortante hace que si a partir deun punto tal como A, se descargue el material, no se recuperentotalmente las deformaciones, existiendo para carga nula unadeformación OB y anulándose la deformación cuando la carga se inviertey toma el valor OC, si continuamos con el proceso de carga llegaremos alpunto D con carga invertida simétrica a A, descargando encontramos al

punto E y en otra recarga completaríamos el ciclo con F Y A. En general se ha comprobado experimentalmente que el comportamiento

de los suelos es muy similar al descrito, ya que el área encerrada en ellazo de histéresis es independiente de la velocidad con que se la recorre.

Ing. Hugo Bonifaz



TABLA 2:Variación de las propiedades dinámicas del suelo con el

nivel de excitación



Amortiguamiento Relativo %Material

=0.001% =0.1%

Arenas 2.0 15.0

Arcillas 2.0 8.0

Ing. Hugo Bonifaz

COMPORTAMIENTO DEL SUELO ANTE CARGASCÍCLICAS



La repetición cíclica de cargas tangenciales conduce normalmente auna situación estacionaria, donde el suelo describe un ciclo dehistéresis aproximadamente constante.

En arenas secas, o saturadas pero con buen drenaje, la carga cíclicaconduce a una cierta densificación y a una cierta rigidización, condisminución del amortiguamiento relativo y aumento del módulo de

corte secante, hasta una situación estacionaria. En las arcillas saturadas la acción de cargas cíclicas tangenciales

produce un incremento en la presión de poros, que hace disminuir elmodulo de rigidez y aumentar el amortiguamiento, hasta una situaciónprácticamente estacionaria.

Ing. Hugo Bonifaz



Esta es una relación del tipo mostrado en la Figura 2



Figura 2- Relación t-N° de ciclos, para una determinadapresión de confinamiento

Esta es una relación del tipo mostrado en la Figura 2

t

Ing. Hugo Bonifaz

En otros casos, sin que se llegue a la anulación de las presionesintergranulares, en estas arenas en un amplio rango de valores, existeuna combinación entre la presión de confinamiento (σ3), el esfuerzodesviador cíclico (σ1 - σ3) que en un cierto número de ciclos (N),

d d f ió ífi i l ( ) d t i d



produce una deformación específica axial (ε) determinada. Estas relaciones se muestran en las Figuras 3 y 4

Al alcanzarse este estado de anulación de la presión intergranular, el comportamiento de las arenas sueltas es completamente diferente delque presentan las arenas densas. Las arenas sueltas al llegar a este estado de anulación de la presiónintergranular, conocido como de "licuefacción inicial", acusan grandesdeformaciones pudiendo llegar a fluir, con una importante disminucióno pérdida total de su resistencia residual("licuefacción total").

Ing. Hugo Bonifaz

s-s



Figura 3.- Presión efectiva de consolidación inicial

Para = 5%

w = 10 ciclos

E s

u e r z o

e s v i a

o r

c

c

i c o ss

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Las arenas densas al llegar al estado de "licuefacción inicial", inicianun proceso de deformación, pero tal proceso es dilatante y por ende origina una disminución de la presión de poros que produceun incremento en su resistencia.



De esta forma nuevas aplicaciones de esfuerzos cíclicos, conducena que sucesivamente se presente la situación anterior, originandodeformaciones considerables aunque se llegue a una estabilizaciónde su resistencia residual. Este fenómeno fue definido como "movilidad cíclica", la primera vez

por Casagrande en 1971

Ing. Hugo Bonifaz

FENÓMENOS DE AMPLIFICACIÓNEl daño causado por el mismo terremoto en una zona con condiciones de suelovariables, no es uniforme y los registros de un terremoto en puntos con condicionesdel subsuelo distintas son diferentes.

Wood (1908) analizó la variación de los daños causados por el terremoto de San



Wood (1908) analizó la variación de los daños causados por el terremoto de San

Francisco en el área de la bahía, donde se pudo ver una diferencia notable dedaños entre los lugares con coberturas escasas de suelos y los lugares condepósitos potentes.

Desde entonces otros investigadores como Gutemberg (1957) y Kania (1954 y1959) han demostrado que las aceleraciones medidas en suelos sonconsiderablemente más elevadas que las medidas en afloramientos rocosos

cercanos para terremotos de poca intensidad.Solo en los últimos años la instrumentación para grandes sismos ha demostradocomo la máxima aceleración varia dentro de una misma área con las condicionesdel suelo.

No es infrecuente encontrar diferencias de aceleración máxima del 100% debido a

condiciones de suelo distintas.No solo es importante la diferencia de aceleraciones máximas provocadas por elsuelo, sino también, la diferencia de contenido en frecuencias del espectro delsismo.

Ing. Hugo Bonifaz



Cuando se hace esta representación aproximada la ecuación delmovimiento puede expresarse como una suma de parejas de ondas dedistinta frecuencia cuyo desplazamiento viene dado por una expresión

del siguiente tipo:



del siguiente tipo:

t

t

z

t t

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u= desplazamiento de un punto y

u(t)= es función del tiempo

u (t) = A + B



A = onda A

B = Onda B

u(t) = A exp

exp = ei = cos + i sen

Cuando z=0 t =0

u(t) =

z = profundidad

v = velocidad de propagación

w = Frecuencia de vibración

-

z vt

v

iw B z vt

v

iwexpexp

Ing. Hugo Bonifaz



Cuando un estrato de suelo elástico de espesor H y velocidad v1,

descansa sobre un semi-espacio elástico de velocidad v2 lacondición de compatibilidad de tensiones y movimientos en elcontacto.

H

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La amplitud máxima del movimiento en la superficie del estrato es2A1 y la amplitud en el fondo del mismo es A2+ B2, el cociente entreambos es el denominado FACTOR DE AMPLIFICACIÓN.



cos12

22

1)( B A

Aw

Si el cos = o la amplificación será infinita y entrará enresonancia.

Cuando un estrato de suelo elástico es solicitado por una ondaarmónica en su base de frecuencia w el movimiento de superficiees también armónico con una amplitud F veces mayor.

Ing. Hugo Bonifaz



Con frecuentes fluctuaciones de carga el material se fractura.

Este fenómeno es conocido como fatiga y es encontrado en estructuras

SOLICITACIONES DE CARGA REPETIDA



sujetas a cargas reversibles y repetidas.La carga fluctuante puede ser representada por una curva sinusoidal.

A

deformación

tiemposm=0smin

smáx

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FATIGA-ESFUERZOS ALTERNOSVarios investigadores han verificado que la carga de rotura en esfuerzosrepetido (FATIGA) se alcanzó antes del valor correspondiente a la roturapor tracción o compresión simple.



por tracción o compresión simple.

Si consideramos un cuerpo sometido a tracción o compresión simple,

tendremos un gráfico más o menos así :

sr

Ing. Hugo Bonifaz

Si realizamos ensayos de rotura por fatiga con probetas de acero,encontraremos un diagrama tensión de fatiga-número de ciclos comola indicada:



se

s

N'c

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ESFUERZOS ONDULADOS



Ing. Hugo Bonifaz

INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DEL VEHÍCULO EN LA DURACIÓN DE LA APLICACIÓN DE LA CARGA

Con base en investigaciones, parece razonable suponer que los pulsos de esfuerzoque una rueda de carga en movimiento induce a un pavimento se aproxima a una



que una rueda de carga en movimiento induce a un pavimento se aproxima a una

función de tipo senoidal o triangular, cuya duración depende de la velocidad delvehículo y de la profundidad del punto en o bajo el pavimento, en el cual se realiza lamedición.

Barksdale (citado en Huang, 1993), investigó los pulsos de esfuerzo vertical endiferentes puntos dentro de una estructura de pavimento flexible, encontrando que eltiempo de duración del pulso de carga puede relacionarse con la velocidad del

vehículo y con la profundidad del punto considerado, de acuerdo con lo mostrado enla Figura

Puede apreciarse claramente que, en general, el tiempo de duración delpulso de carga se incrementa a medida que la velocidad del vehículodisminuye.La figura muestra también Que el tiempo del pulso se incrementa al

aumentar la profundidad del punto considerado en la estructura para lamedición.

Ing. Hugo Bonifaz

TIEMPO DE APLICACIÓN DE LA CARGA BAJO UNA ONDA SEMISENOIDAL O TRIANGULAR



Ing. Hugo Bonifaz



APLICACIÓN PRÁCTICA DEL FENÓMENO DE LA FATIGA

Los materiales utilizados en la construcción de pavimentos de



p

carreteras están sujetos a esfuerzos de fatiga y por lo tanto seenmarcan bajo el dominio de sus leyes, lo que hace que su capacidadde carga y posibilidad de distribuir 'las cargas hacia la subrasantecambie bajo un numero N de aplicación de cargas determinado.

Como los materiales utilizados en la construcción de esta estructura noson homogéneos y están compuestos por partículas de diferentesresistencias al producirse la rotura de las más débiles.

Los módulos de elasticidad cambian y consiguientemente su capacidadde carga.

Ing. Hugo Bonifaz

Por ejemplo, dentro del ámbito referente a determinar los parámetrosmecánicos necesarios para el cálculo provisional de la deformaciónpermanente de los pavimentos/ bajo las solicitaciones producidas por el tráfico, gran cantidad de materiales granulares fueron sometidos aun ensayo triaxial repetido.



y p

Los 183 ensayos efectuados en el Centro de Investigación deCarreteras de Bélgica sobre 12 mezclas diferentes permitieronestablecer las siguientes leyes experimentales:

1. El módulo E de la deformación reversible depende del primer invariante I1, del tensor de los esfuerzos, según la fórmula siguiente:

m

I E

E

)/( 1 s

Ē y m son constantes propias del material

es un esfuerzo de referencia

Ing. Hugo Bonifaz

2.- La evolución de la deformación axial total εzt en función delnúmero N de repeticiones de carga viene descrita por la fórmula:



En donde:

εr = es la deformación reversible axialσc = es la presión de confinamiento de la probetaS = es una constante propia del material compactado y quecaracteriza la susceptibilidad a la deformación permanente.

N N zt zt ).1()(

0/s

r S -

Ing. Hugo Bonifaz

3.- La deformación axial no es acompañada de una deformacióntransversal permanente, medible bajo la condición de que elcriterio:



sea respetado .

Siendo σ1 el desviador máximo y R* es una característicadel material compactado.

*

0

10 Rs

s s

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ANÁLISIS SÍSMICODE TALUDES

ANÁLISIS SEUDOESTÁTICOEl método utiliza el mismo procedimiento general de cualesquiera delos métodos de equilibrio límite con la diferencia de que se incluyenfuerzas pseudoestáticas horizontales y verticales, debido al eventosísmico Estas fuerzas sísmicas se asumen que son proporcionales al



sísmico. Estas fuerzas sísmicas se asumen, que son proporcionales alpeso de la masa de deslizamiento potencial y de los coeficientessísmicos kh y kv expresada en términos de veces la aceleración g,producida por el sismo.

Generalmente, se recomienda analizar con carga sísmicapseudoestática solamente la superficie más crítica identificada en el

análisis estático. La mayoría de los análisis solamente tienen en cuentala fuerza sísmica horizontal y kv se asume igual a cero. La magnitud delcoeficiente sísmico debe simular la naturaleza de la fuerza del eventoque depende de la intensidad o aceleración del sismo, duración delmovimiento y frecuencia

Ing. Hugo Bonifaz

Para un análisis muy conservador se puede asumir que el coeficientesísmico kv es igual a la máxima aceleración pico esperada de unevento sísmico en el sitio.Sin embargo, este análisis conservador puede producir dificultadesnuméricas kh mayor que 0.4.



Ing. Hugo Bonifaz

Kh F.S. Observaciones

COEFICIENTES SÍSMICOS PARA ANÁLISISPSEUDOESTÁTICO



0.10 g >1.0 Sismo importante. Cuerpo deingenieros, 1982

0.15 g >1.0 Sismo de gran magnitud, Cuerpo deingenieros, 1982.

0.15 a 0.25 g >1.0 Japón

0.15 g >1.15 Seed, 1979. Con una reducción deresistencia del 20%

½ de la

aceleración

máxima

>1.0 Hynes-Griffin y Franklin, 1984, y una

reducción de resistencia del 20%

Ing. Hugo Bonifaz



El factor de seguridad para una falla plana de longitud L es iguala:

tancos)(. h sen F FvW cl resistente Fuerza --



Donde:

c = Cohesiónl = Longitud del plano de falla = Angulo de inclinación del talud = Ángulo de fricciónW = Peso de la masa deslizada.

cos)(. hv s F sen F W actuante Fuerza -

Ing. Hugo Bonifaz



sen H

c F s

costan

tan

Para el talud seco



sen H

c F b

scostan

tan*

Para talud saturado

H = profundidad de la falla = Peso unitario del suelob =Peso unitario sumergido

Ing. Hugo Bonifaz

c.- Cálculo del factor de seguridad para falla curva con un valor de amáx

Un procedimiento utilizado es presentado por Ishiara (1985).El factor de seguridad es calculado para diferentes valores de la aceleraciónmáxima, de acuerdo a una fórmula modificada utilizando el procedimientooriginal de Jambú (1955), utilizando un procedimiento similar al que se presenta



dividiendo la masa deslizada en dovelas y realizando las respectivassumatorias.

Análisis sísmico pseudoestático de equilibrio límite para una falla curva

Ing. Hugo Bonifaz

w

g

aw

F l cw

máx

d d sd

tan

/tan*tan1cos/costan 2



Determinación del valor de amáx para el análisisLa cuantificación de un valor de aceleración máxima para estabilidad detaludes debe tener en cuenta los siguientes criterios empíricos:

a. Si la masa considerada para deslizamiento es rígida la aceleración sobre la

masa debe ser igual a la aceleración máxima esperada con sus respectivasamplificaciones por sitio y topografía.

b. Si la masa de suelo no es rígida, como es el caso de la mayoría desituaciones si se tiene en cuenta que la aceleración pico solo se presenta enperíodos de tiempo muy pequeños no suficientes para producir una falla; se

pueden obtener valores entre 0,1 y 0.2g, dependiendo de la intensidad delsismo.

Marcuson (1981), recomienda utilizar valores entre 1/3 y 1/2 de laaceleración máxima esperada con las respectivas amplificaciones.

Ing. Hugo Bonifaz

LIMITACIONES DEL MÉTODO PSEUDOESTÁTICO



El método pseudoestático presenta algunas inconsistencias para modelar el efecto real de un sismo sobre un talud. Algunas de estas limitaciones son las siguientes:

a. No es confiable en suelos que generan presiones de poros

altas.

b. No tiene en cuenta que algunos suelos presentan degradaciónde la resistencia hasta en un 15% debido a la onda sísmica.

Ing. Hugo Bonifaz

CAPACIDAD DE CARGA CONSIDERANDOESFUERZOS SÍSMICOS

En algunos casos las cimentaciones superficiales pueden fallar por efectos



sísmicos.Son raros los estudios publicados sobre la capacidad de carga de

cimentaciones superficiales en tales condiciones.

Sin embargo, Richards y otros (1993) desarrollaron recientemente una teoría

de capacidad de carga sísmica que se representa en esta sección. Debe de

considerarse que esta teoría no a sido confirmada mediante datos de campo.

La figura muestra la naturaleza de falla en el suelo supuesta para el análisis

para condiciones estáticas.

Ing. Hugo Bonifaz



:notaestática;cargadecapacidaddeanálisisel parasueloenfallade Superficie1.Fig

2/45A

2/45A 2/45 - p

Ing. Hugo Bonifaz



Fig . Superficie de falla en el suelo para análisis sísmica de

capacidad de carga.

Ing. Hugo Bonifaz

Note que

Nq y N = f(Φ)y

NqE y N E = f (Φ,tan )



kh = coeficiente horizontal de aceleración debida a un sismo

kv = coeficiente vertical de aceleración debida a un sismoLas variaciones de Nq y N con Φ se muestran en la figura 3.La figura (4) exhibe las variaciones de N E/ N y NqE /Nq, con tany el ángulo de fricción Φ del suelo.Para condiciones estáticas, la falla por capacidad de carga puede

provocar un considerable movimiento repentino hacia abajo de lacimentación.

kv

kh

-1

tan

donde:

Ing. Hugo Bonifaz

Sin embargo, el asentamiento relacionado con la capacidad de carga

en un sismo, tiene lugar cuando la razón alcanza el valor

crítico . Si kv = 0, entonces se vuelve igual a kh *)1( kvkh -

)1/( vh k k - *)1( kvkh -



La figura 5 muestra la variación de kh ( para Kv = 0 y c = 0; suelo granular)con el factor de seguridad (FS) aplicado a la capacidad de carga última

estática y Df / B.

El asentamiento de una cimentación corrida debido a sismo (SEq) puede

estimarse (Richards y otros, 1993) como:

AE h

E A K

Ag v

mS q

tan174.0)(

42 -

Ing. Hugo Bonifaz



Fig3 Variación de Nq y N basada en la superficie de falla supuestaen la figura 1

Ing. Hugo Bonifaz



Fig 4

Ing. Hugo Bonifaz

donde

V = velocidad máxima para el sismo de diseño (m/s)

A = coeficiente de aceleración para el sismo de diseño

g = aceleración de la gravedad (9.18 m/s2)



Los valores de y pueden obtenerse de las figuras 5 y 6

respectivamente. AB h

*

Ing. Hugo Bonifaz

Fig. 5



Ing. Hugo Bonifaz



EJEMPLO

Una zapata corrida debe de construirse sobre un suelo arenoso con

B = 2m, Df = 1.5m, =18kN/ m^3 y = 30º. Determine la capacidad

de carga total última quE . Suponga Kv = 0 y Kh = 0.176.



Ing. Hugo Bonifaz

Solución: De la figura 4. para =30º, Nq = 16.51 y N = 23.76.

176.01

tan -

Kv

Kh



Para tan = 0.176, la figura 4 da y

4.0

N

E N 6.0

Nq

NqE

Entonces:

= (1.5 x 18)(9.91)+(1/2)(18)(2)(9.5) = 438.6KN/m^2

9.56)(0.4)(23.7 E 91.9)51.16)(6.0( qE

E qE uE BN qN q

2

1

Ing. Hugo Bonifaz

EJEMPLO :

Refiérase al ejemplo anterior. Si los parámetros de diseño por sismo

son V = 0.4 m/s y A = 0.32, determine el asentamiento por sismo de la



cimentación. Use FS = 3 para obtener la capacidad estática de cargaadmisible.

Solución: Para la cimentación

Df/B = 1.5/2 = 0.75

De la figura 3.30c, para = 30º, Fs = 3 y Df / B =1.5/2= 0.75, el valor

de = 0.26. También, de la figura 6, para Kh= 0.26 y = 30º, el valor de

88.0tan AE

AE h

E A

K

Ag

vmS

q tan174.0)(

42 -

mmmmS

q E 9.170179.0)88.0(32.0

29.0

)81.9)(32.0(

4.0174.0)(

42

-

h*

Ing. Hugo Bonifaz

PRESIÓN ACTIVA DE TIERRA PARA CONDICIONES SÍSMICAS

La teoría de la presión activa de Coulomb se extiende para tomar en



cuenta las fuerzas generadas por un sismo. La figura muestra unacondición de presión activa con un relleno granular (c = 0). Nótese que

las fuerzas que actúan sobre la cuña de falla del suelo en la figura, son

esencialmente las mismas que las mostradas en la teoría para cargas

estáticas, con la adición de KhW y KvW en las direcciones horizontal y

vertical, respectivamente; Kh y Kv pueden definirse como.

ggravedad,laadebidanaceleració

sismodelnaceleracióladehorizontalcomponenteh K

ggravedad,laadebidanaceleració

sismodelnaceleracióladeverticalcomponentev

Ing. Hugo Bonifaz

Y la fuerza activa por unidad de longitud del muro (Pae) se determinacomo:

1



Fig 1

aevae K K H )1(21 2 -

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tierraladeactiva presióndeecoeficientae

2

2

´)(

)'(

-

senae

Donde



Note que para una condición sin sismo.

Kh = 0, Kv= 0, = 0,

Por consiguiente Kae = Ka

La variación de para el caso de Kv = 0, = 90º,

= 0º y = se muestra en la figura 2.

Algunos valores de Kae para Kv = 0 se dan en la tabla

Khae coscos 2/

22

´

)(1)´(´cos

------

sen sen sen sen sen sen

- -

v

h

K

K

1tan' 1

´

Ing. Hugo Bonifaz

Fig 2



Variación de k* (nota:

Kv = 0, b = 90 °, α = 0° y d =Φ/2).

(Nota: es lacomponente del coeficiente de la

presión de tierra en ángulo recto a laespalda del muro.)

conKhae cos

cosae

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

A la ecuación Pae se le conoce como la solución Mononobe – Okabe.Y

no actúa a una distancia de H/3 desde el fondo del muro. El

procedimiento siguiente se usa para obtener la localización de la

fuerza resultante Pae:

1 C l l l P d l



1. Calcular el Pae usando la ec.2. Calcular Pa usando para cargas estáticas

3. Calcular

4. Suponer que Pa actúa a una distancia de H/3 desde el fondo del muro.5. Suponer que actúa a una distancia 0.6 H desde el fondo del

muro.

6. Calcular la localización de la resultante con la expresión:

aaeae P P P -

ae P

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ae

aae

P

P H

P

3

))(6.0(



Ing. Hugo Bonifaz

EJEMPLO: Refiérase a la figura 4. Para Kv = 0 y Kh = 0.3, determine.

a. Pae

b. La localización de la resultante, z medida desde el fondo del muro.

SOLUCIÓN



SOLUCIÓN:Parte a

eaae K kv H .

2 )1(2

1-

FIG 4

Ing. Hugo Bonifaz

Aquí, γ=105 lb/ pie^3, H=10 pies y Kv= 0. Como d=Φ/2, con la

figura 2 se determina Kae. Para Kh = 0.3, Para Kae = 0.472, por lo que

pieslbae /2478)472.0)(01()10)(105(

2

1 2 -



Parte b

con , por lo que y

2

a K H a 2

2

1

º90,º5.17 º0 246.0a

Ing. Hugo Bonifaz



DISEÑO DE MUROS DE RETENCIÓN DEGRAVEDAD POR CONDICIÓN SÍSMICA

Aún durante los sismos de poca intensidad, la mayoría de los muros deretención sufrirán desplazamientos laterales limitados.Ri h d El (1979) i di i t di ñ



Richards y Elms (1979) propusieron un procedimiento para diseñar murosde retención

de gravedad para condiciones sísmicas que permite desplazamientoslaterales limitados, tomando en consideración el efecto de la inercia delmuro.

La figura 1 muestra un muro de retención con varias fuerzasactuando sobre el, que son las siguientes (por unidad de longitud delmuro):a. Ww = peso del muro.b. Pae = fuerza activa con la condición del sismo tomada en

consideración.

Ing. Hugo Bonifaz

El relleno del muro y el suelo sobre el cual descansa se suponen sin

cohesión, considerando el equilibrio del muro, se demuestra que



Figura. Estabilidad del muro de retenciónbajo fuerzas sísmicas

Ing. Hugo Bonifaz

I aeV W C k k H W

- )1(2

1 2

1

Donde 1=peso específico del relleno;



Con base en las ecuaciones anteriores, el siguiente procedimiento seusa para determinar el peso del muro de retención, Ww, paradesplazamientos laterales que tengan lugar durante un sismo

Donde γ peso específico del relleno;

´)tan)(tan1(

2tan)cos()(

2

-----

v

IE K

senC

y

-

-

kv

k h

1tan´

1

Ing. Hugo Bonifaz

1. Determinar el desplazamiento tolerable, del muro.

2. Obtenga un valor del diseño para Kh con

25.022.0

VA

A

Ak

v

ah



En la ecuación, Aa y Av son coeficientes de aceleración efectiva y

es el desplazamiento en pulgadas. Las magnitudes de Aa y Av son

dadas por el Applied Technology Council (1978) para varias regionesde Estados Unidos.

V A Ak a

Ing. Hugo Bonifaz

3.Suponga que Kv = 0 y, con el valor Kh obtenido, calcule Kae con alecuación anterior.

4. Ese el valor de Kae determinado en el paso 3 para obtener el peso

del muro (Ww).

5 Aplique un factor de seguridad al valor de Ww obtenido en el paso 4



EJEMPLO:

Para Kv = 0 y Kh = 0.3, determine

a) Peso del muro para condición estática.b) Peso del muro para un desplazamiento nulo durante un sismo

c) Peso del muro para un desplazamiento lateral igual a 1.5 pulg

durante el sismo

Para la parte c, suponga que Aa = 0.2 y Ap=0.2. Para las partes a, b y

c, use un factor de seguridad 1.5

Ing. Hugo Bonifaz

SOLUCIÓN:

Parte a

Para condiciones estáticas,Q´=0 se toma la formula:

2tan)cos()( senC



2

2

tan

tan)cos()(

--- senC IE

Para b=90º, d=24º y Φ=36º

85.036tan

36tan)2490()2490(

---

senC IE

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Para condiciones estáticas, Kae = Ka, por lo que:

IE aw C K H W 2

12

1

Para Ka = 0 2349



mkN W w /9.39)85.0)(2349.0()5)(16(2

1 2 Para Ka = 0.2349

Con un factor de seguridad de 1.5

mkN W w /9.59)5.1)(9.39(

Parte b

Para desplazamiento nulo, Kv = 0

Ing. Hugo Bonifaz

´tantan

tan)cos()(

2

2

---- sen

C IE

3.001

3.0

1´tan

v

h

k

k



011 -- vk

45.13.036tan

36tan)2490cos()2490(

----

sen

C IE

Para kh =0.3,Φ=36º y d=2Φ/3,el valor de Kae = 0.48

Ing. Hugo Bonifaz

mkN C K k H W IE aevw /2.139)45.1)(48.0)(01()5)(16(21)1(

21 22

1 --

Con factor de seguridad de 1.5, Ww = 208.8 kN/m



Parte C

081.0)5.1)(2.0(

)2.0)(2.0()2.0(

2.025.0

225.0

2

a

vah

A

A Ak

081.001

081.0

1´tan

-

-

v

h

k

k

Ing. Hugo Bonifaz

957.0081.036tan

36tan)2490cos()2490(

-

---

senC

IE

IE aew CKHW2

12

1



aew C K H W 2

=0.29 (tabla 1)

mkN W w /5.55)957.0)(29.0()5)(16(2

1 2

Con un factor de seguridad de 1.5, Ww=83.3 kN/m

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Son suelos problema los que dificultan el proceso de estudio yconstrucción de obras civiles, dada su forma y característicasmecánicas.



Estos son:

•Expansivos

•

Colapsibles• Volcánicos

•Residuales

Ing. Hugo Bonifaz

Definición:

Expansibilidad en los suelos es la variación de su volumen

SUELOS EXPANSIVOS



Expansibilidad en los suelos es la variación de su volumen(contracción o hinchamiento) que se origina como consecuenciade los cambios del contenido de humedad.

Ing. Hugo Bonifaz



INTENSIDAD SÍSMICA

SUELOS EXPANSIVOS

SUELOS RESIDUALES YTODAS METEORIZADAS

ALUVIONES GRUESOSY FINOS

SUELOS COLAPSIBLES

TOBAS ESTABLESTOBAS COLAPSIBLES

Ing. Hugo Bonifaz

El problema en suelos expansivos es que las deformaciones plásticasson significativamente más grandes que las deformaciones elásticas,y no pueden ser pronosticadas por las teorías elástica y plásticaclásicas.

Esta deformación sigue un patrón desigual y de tal magnitud como



Esta deformación sigue un patrón desigual y de tal magnitud como para causar grandes daños a las estructuras que descansan sobreestos suelos.

La expansibilidad está íntimamente ligada a la presencia de

minerales arcillosos, y a las variaciones en la actividad superficial decada mineral.

Los minerales de arcilla se producen de manera primordial por elintemperismo sobre feldespatos y micas. Forman parte de un grupocomplejo de aluminio –silicatos de potasio, magnesio y hierro,

conocidos como minerales de retícula laminar o reticulolaminares.

Ing. Hugo Bonifaz

Son de tamaño muy pequeño y de forma muy plana, por lo que poseen un áreasuperficial considerable.

Además, estas superficies presentan una carga eléctrica negativa, fenómeno quetiene gran importancia en la explicación de las propiedades de ingeniería de lossuelos arcillosos .

Para explicar de forma simple las propiedades de ingeniería de los suelosarcillosos, es necesario comprender las características esenciales de su estructura



arcillosos, es necesario comprender las características esenciales de su estructurareticulolaminar La figura 1.1 muestra las dos unidades estructurales básicas: la unidad tetraédrica,constituida por un ion central de aluminio o magnesio, rodeado por seis ionesoxhidrilo.Observe que en ambos casos, el metal (con valencia positiva) está situada en el

interior y que los iones negativos no metálicos forman el exterior.Las estructuras laminares se forman cuando los iones oxígeno se enlazan covalentemente entre varias unidades.En esta forma, una, lámina de sílice queda formada por tetraedros enlazados, cuyaformula general corresponde a n Si4 O10 (OH)2.

Las unidades octaédricas también se enlazan entre sí en sus vértices para formar

una lámina que puede ser gibsita (Al4 (OH)6), en la que sólo dos tercios las posiciones centrales están ocupadas por iones Al3+, produciendo una estructura dioctaédrica o bien de brucita (Mg6(OH)6),en la que todas las posiciones centralesestán ocupadas por iones Mg2+, produciendo una estructura triotaédrica.

Ing. Hugo Bonifaz

La figura muestra las dos unidades cristalográficas estructurales básicas :



a) Unidad tetraédrica , constituida por unión central de silicio rodeado por cuatroátomos de oxigeno.

Figura 1.1

b) Unidad octaédrica, formada por un ióncentral de aluminio o magnesio, rodeadopor seis iones oxhidrilo

•En ambos casos, el metal (con valencia positiva) está situado en el interior

y que los iones negativos no metálicos forman el exterior

Ing. Hugo Bonifaz

ESTRUCTURAS DE CAPAS RETICULARES

Capa de sílice



Capa de gibsita

Capa de brucita

Las partículas minerales se van formandopor la acumulación de láminas en forma

de pilas enlazadas

Ing. Hugo Bonifaz

La separación entre los iones externos de las láminas tetraédrica essuficientemente similar para que puedan unirse por medio de ionesoxígeno u oxhidrilo mutuos.

Esto hace posible dos distribuciones, que son estructuras de dos o tresláminas.

En la retícula de dos láminas (Fig.1.2) las láminas tetraédricas y



En la retícula de dos láminas (Fig.1.2) las láminas tetraédricas yoctaédricas están alternadas, mientras que las de tres láminas (Fig. 1.4),consiste en una lámina octaédrica emparedada entre dos láminastetraédricas. Las partículas minerales se van formando por acumulaciónde las láminas en forma de pilas enlazadas.

En la tabla 1.1 se muestran algunos de los minerales de estructuralaminar más comunes .

Ing. Hugo Bonifaz

Los minerales arcillosos son los miembros de este grupo deminerales de retícula laminar generalmente encontrados, comoresultado del intemperismo sobre rocas que contienen feldespatosy micas. Dependiendo de la distribución de la apilación de las

láminas, así como del tipo de iones que proveen la unión de lasmismas se pueden identificar cuatro grupos de minerales de



láminas, así como del tipo de iones que proveen la unión de lasmismas, se pueden identificar cuatro grupos de minerales dearcillas que son:

Caolinita

Illita.

Montmorillonita.

Vermiculita.

Ing. Hugo Bonifaz

GRUPO DE CAOLINITAS Este es el principal constituyente del caolín y las

arcillas para porcelana, derivadas del intemperismodel feldespato ortoclasa, ingrediente esencial delgranito



granito.

Su estructura consiste en una distribución de dosláminas de sílice y gibsita fuertemente enlazadas.

La caolinita es, en sí misma, un mineral en forma delaminilla normalmente constituido por pilas de unas100 láminas con una distribución bien ordenada

Ing. Hugo Bonifaz

Otro miembro de este grupo que aparece enalgunos suelos tropicales es la haloisita, cuyasláminas están separadas por moléculas de agua.En contraste con la mayor parte de las demás

arcillas que son laminares las de haloisita son



arcillas que son laminares, las de haloisita sontabulares o en forma de bastón o de aguja.

A temperaturas superiores a 60º C, la haloisitatiende a deshidratarse, por tanto se deben tomar las

precauciones debidas al ensayar suelos conproporciones significativas de este mineral

Ing. Hugo Bonifaz

GRUPO DE ILLITAS La degradación de las micas (muscuvita y sericita) en

condiciones marinas, da como resultado mineralesestructuralmente similares llamados illitas.

Por lo tanto, éste es el mineral predominante en las arcillas yesquistos marinos Cuando en la degradación de una ortoclasa



, p yesquistos marinos. Cuando en la degradación de una ortoclasano se eliminan todos los iones potasio, se producen illitas.

Su estructura consiste en arreglos de tres láminas de gibsita conlos iones K+ proporcionando el enlace entre las láminasadyacentes de sílice.

El enlace es más débil que en la caolinita, y el resultado sonpartículas más pequeñas y delgadas

Ing. Hugo Bonifaz

GRUPO DE MONTMORILONITAS

Los minerales de este grupo en ocasiones también reciben elnombre de esmectitas y representan el constituyente principal de labentonita, y de los suelos tropicales Black cotton (algodón negro).

La montmorilonita es el resultado de una degradación adicional dela ilita , y también se forma por el intemperismo del feldespato



g, y p p pplagioclasa en los depósitos de cenizas volcánicas.

Su estructura fundamental consiste en distribuciones de tresláminas, cuya lámina octaédrica intermedia es casi siempre gibsita,pero con algunas sustituciones de Al por Mg. Diversos ionesmetálicos (además de K+) forman enlaces débiles entre las capas(Fig. 1.5). Como resultado de estos enlaces débiles, las moléculasde agua pueden penetrar entre las láminas con bastante facilidad,lo que da un alto potencial de contracción / expansión

Ing. Hugo Bonifaz

La tabla 1.1 muestra algunos de los minerales de estructuralaminar más comunes



Ing. Hugo Bonifaz

Estructura y tamañode los principales



yde los principalesminerales de arcilla

Ing. Hugo Bonifaz

GRUPO DE VERMICULITAS

Este grupo contiene productos del intemperismo de la biotita y la clorita.

La estructura de la vermiculita es similar a la



La estructura de la vermiculita es similar a lamontmorillonita, excepto que los cationes que

proporcionan los enlaces entre las láminas son predominantemente de Mg acompañados por algunasmoléculas de agua. Por tanto, tienen propiedades decontracción / expansión similares a los demontmorillonita, pero de menor magnitud

Ing. Hugo Bonifaz

CARACTERÍSTICAS DEL FENÓMENO:• La expansibilidad se atribuye a efectos zonales de secado ymojado de los estratos superficiales.

• Al aumento del contenido de humedad y a.



y• La alteración de las condiciones de evaporación de agua de lassuperficie del suelo.

La existencia de terrenos potencialmente expansivos se localizaen regiones semiáridas de clima tropical y templado, donde laevaporación anual supera a la precipitación.

Ing. Hugo Bonifaz

Reconocimiento de los suelos expansivos:Un suelo es expansivo cuando tiene un esponjamiento mayor al 1%

Criterio basado en la composición del suelo

Se requiere realizar un análisis químico de la muestra delsuelo



q qsuelo

Criterio basado en los límites de consistencia y porcentajes de partículas arcillosas.

Hantey y Brink que dice que son expansivos los sueloscuando.

LL > 30%

IP > 12%CL > 8% Porcentaje de contracción lineal.

Ing. Hugo Bonifaz

SEGÚN NORMA AASHTO T258-78POTENCIABILIDAD EXPANSIVA DEL SUELO

GRADO DE EXPANSIÓN LL IP ICBAJA 20 - 35 < 12 < 15



BAJA 20 35 < 12 < 15

MEDIA 35 - 50 12 - 23 15 - 30

ALTA 50 - 70 23 - 32 30 - 60

MUY ALTA 70 - 90 >32 > 60

EXTRA ALTA > 90 >32 > 60

IC = LL – LC INDICE DE CONTRACCIÓN

Ing. Hugo Bonifaz

Skemptom determina la expansibilidad en base

al criterio de la actividad superficial:

IP



uel con particulasde

IP

2...%.

Ing. Hugo Bonifaz

Con el valor de la actividad superficial entramos a la tabla deVan Der Merwe, en que se ha dividido a los suelos por su

potencial de expansión:



Ing. Hugo Bonifaz

Criterios basados en ensayos de expansión:

• Ensayo edométrico directo

• Ensayos edométricos dobles o múltiples.

(determina la variación del índice de vacíos)



( )

oe

e H xpansión

1

Ing. Hugo Bonifaz

López Cardoso y otros( geotecnia Nº 70 – LNEC), proponen :PSE = -0.08 (c)+0.28 (IP) -3.44

En donde:

PSE = Potencial de expansión Esperado en hóp

hop = contenido de humedad óptima



p p

c= 38.711 Ln (Ip)- 85.32 = % de arcilla

Con los resultados que se preceden sintetizar en el siguiente cuadro.

C%

IP%

GRADO DEEXPANSION

P S E%

< 50

35 – 50< 30

> 30

20 – 30< 20

ALTO

MEDIOBAJO

> 3

1 – 3< 1

Ing. Hugo Bonifaz

ESTIMACIÓN CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE EXPANSIÓN:Mediante el gráfico establecido por el profesor Cuellar se

presenta la calificación del suelo en función del índice dedesecación:

D



p

D

L

h

D

Ing. Hugo Bonifaz

Correlación de Cuellar para prever la presión de expansión:

En función de las propiedades índice del suelo

2

)4.0%4.0(12

1log cm Kg h LLo --s



2)5.13965.05.62(5.19

1log

)(12g

cm Kg LL

g

d o - s

Ing. Hugo Bonifaz

66.5l5

1054log

7.0

M LLos -

-

El profesor A. Jiménes encontró la siguiente correlaciónmediante muestras inalteradas de arcillas con índices de

plasticidad entre 10 y 20.



)sec(

)()sec(:

log55g

adode

natural adode M siendo

M

s

s s

-

Ing. Hugo Bonifaz

CUANTIFICACIÓN DE LA EXPANSIÓN :

De acuerdo con A. Jiménez Salas y Sarratosa

s



s

s 00 log* K

K o=0,019 σo σ o= Presión de expansión.σ =Incremento de presión

= Tanto por uno.

Ing. Hugo Bonifaz

Viyavergiya y Ghazzaly encontraron las siguientescorrelaciones:

)5540(1)/100(log 2 - hLLcmgs



)5.13065.05.62(5.19

1)/100(log

)5.54.0(2

)/100(log

2 -

LL scm g s

h LLcm g s

Ing. Hugo Bonifaz

EL APARATO DE LAMBE El aparato de Lambe (Lambe 1960) tiene por objeto descubrir mediante un ensayo rápido (que se pueda terminar en dos horas) la

peligrosidad de un suelo desde el punto de vista del hinchamiento o

la retracción. Se trata de un ensayo de identificación y, por tanto, no podrá sustituir en casos importantes a ensayos realizados en



p p ymuestras inalteradas o compactadas en las mismas condiciones queen obra.

El ensayo se realiza con una muestra de suelo que pase por el tamiznúmero 10. Al comenzar el ensayo, el suelo debe estar en uno deestos tres estados: seco, húmedo o en el límite plástico.

Seco quiere decir expuesto a un ambiente con humedad relativa del

50 % hasta humedad constante ( en general bastara secarlo al aire )húmedo

Ing. Hugo Bonifaz

La muestra se compacta con la maza del ensayo de Proctor normal en lacélula interior de la figura indicada, en las condiciones que se indican acontinuación.

Estado de Número Número de Energía de



muestra delsuelo

de capas

núm.

golpes por carga

compactación

Por unidad devolumen

Seco

Húmedo

Limite

plástico

3

3

3

7

4

5

La del ensayo deProctor modificado

½ de la del ensayode Proctor modificado

La del ensayo deProctpr normal

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Una vez compactada la muestra y ensamblado el aparto, mediante elvástago ajustable se da una presión a la muestra de 1 t/m2 (la fuerza semide en el anillo, y corresponderá a un numero determinado dedivisiones del micrómetro ). A continuación se inunda la muestra.

La presión que actúa sobre ella al cabo de dos horas se designa con el

nombre de “índice de expansibilidad “.Las curvas de la figura nos relaciona el índice de expansibilidad con el



Las curvas de la figura nos relaciona el índice de expansibilidad con elllamado “cambio potencial de volumen este cambio, nos da,cualitativamente, una idea de lo peligroso que el suelo, según se indicaen la figura siguiente

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

DAÑOS CAUSADOS POR SUELOS EXPANSIVOS:

• Causan más daño a estructuras, en especial a edificios pequeñosy pavimentos. Las arcillas expansivas en estado húmedo pierdensu estabilidad, al secarse se hacen muy duras y desarrollan grietas

de ancho y profundidad considerables.



• Al construir carreteras sobre estos suelos, la presión deexpansión y el cambio volumétrico que se produce depende de:

•La humedad en el momento de la construcción•Los cambios que ésta sufra durante el periodo deservicio de la obra.

Ing. Hugo Bonifaz

Otro problema son las grietas de contracción, producto de ladisminución de volumen cuando decrece el contenido dehumedad del suelo. Las grietas aparecen hasta la profundidadconocida como “Zona activa” del suelo.



La presión de hinchamiento es muy útil en el estudio desuelos expansivos, sirve para conocer la presión capaz delevantar la estructura asentada sobre su superficie.

Con éste valor se diseña el espesor del pavimento paracontrolar su expansión por sobrecarga.

Ing. Hugo Bonifaz

SUELOS COLAPSABLESCausas del problema:

La causa desencadenante del colapso es siempre la presencia del

agua, aunque otra de las circunstancias que deben ser concurrentes es la de una carga, en general mayor de la que



g , g y q previamente actuaba sobre el suelo, este fenómeno se presentacasi exclusivamente en zonas áridas, en donde el terreno ha

podido conservar una estructura floja gracias a que nunca hallegado a estar saturado.

Por la misma causa, su mayor incidencia es sobre las obrashidráulicas (donde hace mucho tiempo que se conocía, aunquerecibía el nombre “hidrocompactación”) En el valle de S.Joaquín (California) llegaron a producirse asientos de 4.5 m por esta causa,

Ing. Hugo Bonifaz

La aridez del clima parece tener más importancia que el modo dedeposición. Así, hoy se admite que hay suelos colapsables deformación eólica coluvial, aluvial, residual, de hojas de inundación y, por supuesto, rellenos efectuados por el hombre (Dudley, 1970).

Su identificación se hace esencialmente mediante el edómetro,también se han formulado algunos otros criterios. Sin duda, la



densidad es uno de ello, pero de difícil cuantificación. Su valor absoluto no es significativo y en cuanto a la densidad relativatampoco ha resultado ser una indicación valida.

Demisov dio un criterio que hasta cierto punto, ha sido recogido por el Bureau of Reclamation de los Estados Unidos, que es el del límitelíquido, si el volumen de poros del suelo iguala o supera al queocuparía el agua si estuviere en el limite líquido, el suelo es

colapsable. Esto parece ser cierto, pero hay suelos más densos quetambién colapsan.

Ing. Hugo Bonifaz

Markin (1969) indicó, más recientemente, que un suelo es colapsable sisu grado de saturación es menor del 60 % y:

Y Zur y wiseman (1973) dan como posible el colapso si:

1,0))(1(

)()(-

-

natural e

idolímitelíquenatural e



Problemas constructivos en los suelos colapsables:

Los problemas mas difíciles de resolver son los que acabamos de indicar en las obras hidráulicas. Cualquier fuga inicia un asiento, abriendogrietas que favorecen la filtración, esto produce una elevación local dela capa freática que satura un gran volumen de suelo, multiplicando deesta manera el asiento inicial.

1.1LLalientecorrespondsecaDensidad

secanaturalDensidad

Ing. Hugo Bonifaz

En carreteras pueden existir problemas análogos, si los drenajes están mal proyectados o construidos y producen acumulaciones de agua, pero quizáel mayor problema consista en este caso en los taludes, ya que estos suelosson muy erosionables y, frecuentemente, muy dispersos.

Las edificaciones son más sensibles a los movimientos que los canales y

mucho más que las carreteras, por lo que es evidente que el problema esmuy grave, y existen muchos ejemplos en los que la rotura de una tubería



muy grave, y existen muchos ejemplos en los que la rotura de una tuberíaha tenido como consecuencia la ruina rápida y completa de una estructura.

Ing. Hugo Bonifaz

PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS EN LOS SUELOSCOLAPSABLES:

Son muy numerosas las tentativas que se han hecho de estabilización.

Las inyecciones de cemento no penetran en ellos, pero si algunas

químicas, aunque no parece que los resultados hayan compensado elcosto. Se ha intentado también la estabilización mediante un gas, que



g qreaccionase y cementase más sólidamente los granos.

Respecto a la inyección química, la más usada ha sido la del silicato de

sólido.Si se trata de terreno colapsable con cemento calizo no es precisoningún otro producto químico. El silicato usado es el módulo dealcalinidad 3, densidad 1,13 – 1,15 y se inyecta por agujeros encuadricula de 1 a 1.5 m con presión no mayor a 1kg/cm2 y con uncaudal de 1.5 – 2 litros por metro y minuto. Se ha ensayado inclusomejorar la impregnación recurriendo a la electroósmosis.

Ing. Hugo Bonifaz

Considere que en estos casos hay que decidirsepor dos soluciones extremas.Una de ellas es cimentar sobre el suelo natural ytomar grandes precauciones para evitar que semoje.

La otra es la de eliminar, mediante compactación uotro medio sus probabilidades de colapso



otro medio, sus probabilidades de colapso.La práctica enseña que en la mayoría de los casos,la mejor solución es una intermedia.

Las medidas a tomar deben integrar dosposibilidades; disminuir los posibles asientos yaumentar la tolerancia de la estructura al asientodiferencial.

Ing. Hugo Bonifaz

Introducción

Cuando los gases escapan violentamente arrastran en su salidamateriales fundidos y sólidos que se fragmentan y caenposteriormente en forma de lluvia (ash-fall), después de haberse

enfriado total o parcialmente en el aire. En determinadascircunstancias una masa de fragmentos, antes o después de su caída,

SUELOS VOLCÁNICOS



g , p ,desarrolla un movimiento conjunto turbulento, pero que puede serincluso de carácter fluidal (ash-flow). Salvo en este último caso, losdepósitos de estos fragmentos son estáticos y se depositan más o

menos cerca del punto de emisión según su tamaño, intensidad delas explosiones, fuerza y dirección del viento, etc.

Además de estos materiales fragmentarios (piroclastos), se incluyenaquí los depósitos que se forman como consecuencia de erupciones

freáticas y los depósitos en cuya dinámica intervienen aguasmeteóricas (lahares).

Ing. Hugo Bonifaz

No se describen, sin embargo, los piroclastos generados bajo el niveldel mar, cuyos depósitos no difieren esencialmente de los subaéreos.En sentido estricto, los materiales y sus depósitos a los que nos

referimos se generan exclusivamente en relación con la dinámica delfenómeno eruptivo; sin embargo, los materiales piroclásticos suelenincluirse también entre las rocas sedimentarias.

Esto se debe a que el mecanismo de deposición de los piroclastosimplica un transporte más o menos largo en un medio aéreo o acuático o



implica un transporte más o menos largo en un medio aéreo o acuático, oen una combinación de ambos cuando los fragmentos lanzados al airepor la explosión caen posteriormente al agua.

El transporte de los materiales fragmentarios originados en una

erupción es siempre rápido, por lo que dichos clastos conservangeneralmente la forma, dimensión y mineralogía iniciales, aunque lageometría y estructura del deposito sean similares a las que poseen losdepósitos formados como consecuencia de un típico procesosedimentario, en el que han intervenido una erosión previa, seguida del

transporte y acumulación final del material fragmentado y retrabajado.

Ing. Hugo Bonifaz

El problema se plantea cuando estos procesos —erosión, arrastre ysedimentación— afectan a terrenos volcánicos, cuyos materiales (inicialmentemasivos como las coladas o fragmentarios como los piroclastos) se acumulanen depósitos que podrían confundirse con los de piroclastos en sentidoestricto.

Téngase en cuenta que los sedimentos que han tenido un área madre

volcánica son frecuentes en todas las épocas geológicas y abundanespecialmente en cuencas oceánicas.

E l f i l di t i d i t t di ti i



En las formaciones volcano-sedimentarias puede ser importante distinguirentre las rocas piro clásticas que se encuentran “in situ”, generalmentepróximas al centro eruptivo, y aquellas que han sido removidas por la erosióny arrastradas lejos de su emplazamiento original.

El estudio de estas últimas pertenece al campo de las rocas sedimentarias,distinguiéndose de otros depósitos detríticos por su mineralogía inmadura yvariable (ver p. e., Pettijhon et al., 1972).

La ambigüedad persiste en los piroclastos paleovolcánicos sometidos aprocesos posteriores y en los depósitos subacuáticos en los que el transporte,

ajeno a la dinámica eruptiva, puede ser importante. Estos y otros factoreshacen compleja la clasificación y nomenclatura de los productos volcánicosfragmentarios (ver p. e., Fisher, 1966 y Marinelli, 1973).

Ing. Hugo Bonifaz

PIROCLASTOS DE PROYECCIÓN AÉREA

Estos piroclastos reciben actualmente el nombre genérico de tefra o tephra y seclasifican según su tamaño en bombas volcánicas, lapillis y cenizas, aunque latabulación dimensional no responde a medidas estrictas. Otra nomenclatura menosprecisa incluye los términos escoria, cinder, arenas, etc. Cuando estos materiales secementan se denominan con el nombre genérico de Tobas. Por lo general, los depósitos

de estos materiales son heterométricos, aunque predomine alguno de los tipos citados,lo cual depende del carácter de la erupción, composición del magma, viscosidad,



explosividad, etc. En los depósitos de tefra existe una cierta selección granulométrica, puesto que los

fragmentos más pesados son los primeros que caen y ocupan la base del deposito cuyotecho está formado por una capa de piroclastos más finos. Esta disposición permite

distinguir los piroclastos originados en diferentes fases explosivas cuyos productos sedepositan en capas sucesivas, dando lugar a una estratificación que tiende a lahorizontalidad. La continuidad y gran extensión de estas placas de tefra permite enalgunos casos utilizarlas como niveles-guía de gran valor estratigráfico y cronológico.En el mecanismo de formación de estos depósitos interviene además el medio detransporte encontrándose a veces una estratificación cruzada de origen eólico o marino.

Por otra parte, cuando el material piroclástico acumulado no se ha consolidado esfácilmente removible y se forman depósitos volcano-sedimentarios alejados delemplazamiento original.

Ing. Hugo Bonifaz

BOMBAS VOLCÁNICASLas bombas adquieren su forma subredondeada o en huso al girar

en su trayectoria, aplastándose ligeramente al caer, miden entre 3 y30 cm, aunque se han encontrado ejemplares de varios metros dediámetro y algunas toneladas de peso. La superficie de la bomba seenfría antes que el núcleo, por lo que al contraerse este último se

forman unas grietas en la parte externa de la bomba, que recuerdanla corteza de pan.



Bomba volcánica elipsoidal (La Palma, Islas Canarias)

Ing. Hugo Bonifaz

BOMBAS VOLCÁNICAS EN "BOUSE DE VACHE" (VOLCÁN SAN ANTONIO,LA PALMA, ISLAS CANARIAS)



ESCORIAS Las formas regulares las presentan sólo una pequeña parte de los

fragmentos expulsados, bien porque su trayectoria sea corta o bien porque

su contenido en volátiles sea muy elevado. Al material piroclásticovesicular, que no puede clasificarse como bombas por su forma irregular,se le agrupa genéricamente bajo el término de escoria.

Ing. Hugo Bonifaz

BLOQUES Otros fragmentos son proyectados en estado sólido y se caracterizan

por su geometría angulosa; se denominan bloques y están constituidoscasi siempre por materiales arrancados del conducto volcánico.



Bloques volcánicos en un aglomerado (Cabo de Gata, Almería)

Ing. Hugo Bonifaz

BLOQUES VOLCÁNICOS EN CINERITAS (CABO DEGATA, ALMERÍA)



Ing. Hugo Bonifaz

PUMITA

Se llaman pumitas o pómez a los piroclastos de composición ácidade cualquier tamaño, de color claro, muy porosos y ligeros. Laporosidad se debe a una intensa vesiculación, quedando los huecosseparados por ligeras membranas vítreas; a esto se debe el que las

pómez y los lapillis muy ligeros floten en el agua.



Manto de pumitas en Montaña Blanca (Teide, Tenerife, Islas Canarias)

Ing. Hugo Bonifaz

LAPILLILos fragmentos piroclásticos cuyo tamaño está comprendido entre 3

y 30 mm se denominan lapillis, término que se restringe másespecíficamente a piroclastos finos de composición basáltica. Lasformas del lapilli dan lugar a nuevas denominaciones, conociéndosecomo cabellos de Pelé (divinidad hawaiana) a los fragmentosfinamente aciculares o filamentosos y lágrimas de Pelé a los pequeños



finamente aciculares o filamentosos y lágrimas de Pelé a los pequeñosgoterones vítreos.

Lapilli del volcán de Cabezo Segura (Ciudad Real)

Ing. Hugo Bonifaz

LAPILLI DEL VOLCÁN DE CABEZO SEGURA (CIUDAD REAL)



Ing. Hugo Bonifaz

ALTERNANCIA DE CAPAS DE LAPILLI BÁSICO Y ÁCIDO(VOLCÁN COTOPAXI, ECUADOR)



Ing. Hugo Bonifaz

CENIZAS

Las cenizas y arenas son fragmentos pulverizados,esencialmente vítreos, que por su poco peso se mantienen ensuspensión durante mucho tiempo y son arrastrados largasdistancias por corrientes de aire. Este material,extraordinariamente fino, forma pisolitos o gotas de lluvia



, p gcuando se concentra en torno a núcleos húmedos y ruedaadquiriendo formas esferoidales.

CINDER

El nombre de cinder se aplica preferentemente a losdepósitos en los que predominan escorias sueltas y lapilli.Estos materiales suelen acumularse en las proximidades de

las bocas eruptivas, constituyendo el cono volcánico.

Ing. Hugo Bonifaz

TOBAS Y TOBAS SOLDADASLos piroclastos pueden compactarse y cementarse en un proceso posterior asu depósito al circular fluidos y formarse un cemento que consolide el depósito;estos depósitos reciben genéricamente el nombre de tobas. El mismo fenómenode compactación de los fragmentos puede desarrollarse cuando los piroclastosson masivos y conservan elevadas temperaturas, por lo que pueden soldarse

adquiriendo gran consistencia: es el caso de las tobas soldadas. En ambos casos,sí predominan los cantos angulosos heterogéneos se denominan brechasvolcánicas, reservándose el término de aglomerado volcánico para las



, g pacumulaciones de bombas y lapilli, aunque este último término se empleafrecuentemente en un sentido mucho más amplio. Las tobas de ceniza sedenominan cineritas.

Toba de lapilli (Volcán del Cerro de la Cruz, Ciudad Real)

Ing. Hugo Bonifaz

TOBA SOLDADA DE LAPILLI RIOLÍTICO (SUMATRA, INDONESIA)



Brecha volcánica andesítica (Cabo de Gata, Almería)

Ing. Hugo Bonifaz

Brecha volcánica con alteraciónendógena (Las Negras, Almería)

Brecha volcánica(Cabo de Gata, Almería)



Ing. Hugo Bonifaz

Cineritas sobre lavas basálticas(Isla Santiago, Galápagos) Cineritas y tobas de lapilli(Cabo de Gata, Almería)



Ing. Hugo Bonifaz

DEFINICIÓN:

El estudio de los suelos residuales requiere una actitud más geológicade lo que normalmente se exige en Mecánica de Suelos, para conocer

por ejemplo, de que tiempo de rocas es posible la formación de suelos

SUELOS RESIDUALES



p j p , q p presiduales por alteración de las mismas en su propio lugar.

En las regiones tropicales de altas temperaturas y abundantes lluvias la

alteración de las rocas (Ígneas, sedimentarias y metamórficas) esintensiva y está caracterizada por la rápida destrucción de losfeldespatos y minerales ferro magnesianos, la remoción de la sílice y

bases (Na2O, K 2O, CaO, MgO ) y la concentración de óxidos de hierroy aluminio, este proceso es llamado de laterización.

Ing. Hugo Bonifaz

La alteración de una roca, es su disgregación y descomposiciónllevada a cabo por agentes físicos y químicos naturales, quetransforman esa roca en otro producto natural que está enequilibrio físico-químico con el medio ambiente.

Los principales tipos de alteración que afectan a las rocas son:



La alteración Deutérica primaria, en ciertos casos dicha Hipogénica y la alteración Meteórica secundaria o también

Súpergénica.

Ing. Hugo Bonifaz

ALTERACIÓN DEUTÉRICA O PRIMARIA:Este tipo de alteración se refiere a las transformacionesmetasomáticas de índole neumatolítica y/o hidrotermal de lasrocas, cualquiera que sea su tipo, originados en los estados de

consolidación magmática.



ALTERACIÓN METEÓRICA O SECUNDARIA:

La meteorización de una roca ígnea traduce su adaptación hadeterminado ambiente geológico exógeno. La meteorización esel “ Pudrimiento en el sitio ”

Ing. Hugo Bonifaz

De este modo hay que considerar en la meteorización laincidencia de acciones físicas y de acciones químicas.

ACCIONES FÍSICAS:

• Expansión debido a efectos térmicos.• Expansión por descompresión.



• Expansión por congelación del agua retenida en los porosvacíos y fisuras

• Acciones mecánicas del agua de circulación sub–área de losglaciales y vientos.

• Actividades mecánicas debido a la actividad de seres vivos.

Ing. Hugo Bonifaz

ACCIONES QUÍMICAS: • Disolución.

• Oxidación.

• Reducción.



• Oxidación – hidratación.

• Hidratación – hidrólisis.

Ing. Hugo Bonifaz

METEORISMO Y CLIMA:

El clima de una región es definido por el conjunto de

hechos meteorológicos que caracterizan el estado mediode la atmósfera de esa región.



•Temperatura

•Precipitación

•Humedad

•Vientos

•Presión Atmosférica.

Ing. Hugo Bonifaz

Proceso de laterización



Ing. Hugo Bonifaz

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN TÍPICO PERFIL DE SUELORESIDUAL TROPICAL.

suelo

Completamente

meteorizado

Al



Altamentemeteorizado

Moderadamentemeteorizado Roca

50%-90%)

Pocometeorizado

Roca fresca

Ing. Hugo Bonifaz

TIPOS DE DEPÓSITOS:Macro - estructura:

La forma típica en profundidad del perfil de alteración tropical, no presenta claramente definida los límites entre las diferentes capas

y hay muchos sistemas de clasificación basadas en el grado dealteración.



Ing. Hugo Bonifaz

Las diferentes etapas de alteración durante la formación delos suelos lateríticos, de acuerdo con las investigaciones deTUNCER y LOHNES (1977) y los cambios de propiedadesse indican a continuación:

Incremento de contenido dek li it



kaolinita

Incremento de cohesión yángulo de fricción

Incremento del índice de vaciosy gravedad especifica

Ing. Hugo Bonifaz

Etapa 1: Roca original con muy bajo índice de vacíos y altacohesión.

• Etapa 2: Desintegración de la roca por causas de alteraciónincrementa el índice de vacíos y decrece la cohesión y ángulo defricción.

• Etapa 3: Incremento del contenido de arcilla, causa eli d l h ió d l í di d í l



incremento de la cohesión, decrece el índice de vacíos y la permeabilidad, la gravedad específica comienza a incrementarse

por causa del incremento en el contenido de sequióxidos (Fe3o3 yAl2O3).

• Etapa 4: Continúa el incremento de contenido de óxidos,contenido de caolinita decrece, por conversión en gibsita, los

sequióxidos aglutinan las partículas de arcilla y hace que el suelosea más granular

Ing. Hugo Bonifaz

La gravedad específica se incrementa debido al incremento de contenidode óxido de hierro, incremento del Índice de Vacíos porque unagravedad específica alta tiende a reducir el volumen sólido.

• Etapa 5: Nuevo incremento de sequioxidos y más cementación de losagregados, grandes tamaños de grava forma concrecional incremento decementación bajo decremento del índice de vacíos, incremento de laresistencia, la gravedad específica, incrementa o decrece dependiendo de



la mayor o menor cantidad de hierro o aluminio.

• Etapa 6: Roca secundaria.

Los suelos residuales provenientes de cualquier roca o de la acción decualquier tipo de clima, disponen de una serie de estratos que tanto

pueden ser secuencia vertical u horizontal, a los cuales llamaremoszonas.

Ing. Hugo Bonifaz

MICRO – ESTRUCTURA:La influencia de la micro-estructura en los propiedadesingenieriles de los suelos residuales, llamaron la atención deTerzaghi (1958), al explicar el comportamiento de la arcilla usada

en la construcción de la presa de SASAMUA en Kenya.Mas recientemente en un estudio de los suelos volcánicos de



Tenerife, en las Isdlas Canarias, González de Vallejo (1981)concluye similarmente que la estructura de las arcillas, es el más

importante factor para sus inusuales propiedades, en las cuales por supuesto juegan papel importante en el medio ambientegeológico y la composición mineralógica.

Ing. Hugo Bonifaz

Las identificadas agregaciones de partículas de arcillas sepueden clasificar en:

• Agrupaciones regulares: Formadas por compactos nocimentados grupos de partículas con formas esferoidescompuestas en gran parte de mica.

• Agrupaciones de agregaciones entrelazadas que contienen



• Agrupaciones de agregaciones entrelazadas, que contienenabundancia de partículas orientadas de Halloysita.

• Agragación matriz arcillosa: Formada de desordenadaorientación de estructuras compactas de minerales demontmorillonita.

• Agregación Oolite: Formada en un medio ambiente rico en

óxidos de hierro.

Ing. Hugo Bonifaz

CLASIFICACIÓN:

LATERÍTICOS:

El suelo puede ser considerado como laterítico si:

Pertenecen a los horizontes A o B y los perfiles están bien drenadosy ubicados en climas tropicales húmedos.



La fracción de arcilla está constituida esencialmente de minerales decaolín y de óxidos hidratados de aluminio o hierro y estos

componentes están ensamblados en peculiares poros y en altamenteestables estructuras agregadas.

Ing. Hugo Bonifaz

SAPROLITOS:Un material puede ser considerado como saprolito si:

Cumple con las características de suelos en sentido geotécnico.

Si exhibe una clara herencia de semejanza estructural, que permite unafácil identificación de la roca original.

Este es auténticamente residual



Este es auténticamente residual.

Los suelos lateríticos y saprolíticos pueden ser clasificados por

diferentes maneras, pero los sistemas de clasificación basados sobrecaracterísticas y otros también usados e clasificaciones ingenierilesortodoxos, son limitados y cuestionables y no están completamenteadecuados para su aplicación en este caso.

Por otro lado los sistemas de clasificación basados en el tamaño de la

partícula y límites de consistencia a pesar de su simplicidad presentandos inconvenientes:

Ing. Hugo Bonifaz

Uno relacionado con la significancia de la distribución de los tamañosde los granos y límites de consistencia y otra relacionada con losmétodos de ensayo usados para determinar esas dos características,como sabemos en la determinación del tamaño de los granos y de loslímites de Atterverg la preparación de las muestras, tiende a destruir la

historia de los suelos en lo que se refiere a su modo de formación hastaese punto y los resultados de laboratorio no reflejan las características delos suelos.



Por otro lado los suelos lateríticos y saprolíticos, como resultado de ladescomposición, contienen materiales con diferentes grados de

alteración y por eso la distribución del tamaño de los granos y loslímites de consistencia no son muy apropiados para predecir las

propiedades ingenieriles, fuera de definir el grado de alteración, por lotanto sería relevante si el sistema de clasificación va a ser generalmenteaceptable, considerar el modo de formación y las condiciones

geotécnicas y geomorfológicas de estos suelos.

Ing. Hugo Bonifaz

COMPORTAMIENTO:

Las características de compactación de los suelos residuales, estáinfluenciada por un variado número de factores entre los cualesse incluye, graduación, esfuerzo de rompimiento, método de

penetramiento en la preparación de la muestra, composiciónmineral y esfuerzo de compactación, consecuentemente lascaracterísticas de compactación varían en un amplio rango.



características de compactación varían en un amplio rango.

Las características de resistencia, quizás el más importante dato

sobre esta característica es que los suelos lateríticos y andi-sueloshan sido ensayados con muestras compactadas y sus resultadosvarían en un amplio rango y en algunos casos es difícil distinguir cual de ellas es la verdadera característica del suelo y fundacióndel procedimiento del ensayo.

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

CONSOLIDACIÓN Y PERMEABILIDAD:Dependen de la estructura del suelo y también es necesariodistinguir entre las características de muestras indisturbadas,compactadas y remoldeadas, la permeabilidad de sueloslateríticos compactados esta típicamente entre 1x10-6 - 1x10-8 cm/seg, y del coeficiente de consolidación entre 1x10-1 - 1x10-3



g ycm2/seg, en general la compresibilidad de muestras compactadasde suelos residuales tropicales es menor que la esperada en

arcillas de zonas temperadas con igual límite líquido.El profesor Milton Vargas de Brasil en 1974 en base a sus 55ensayos sobre suelos lateríticos presenta la siguiente relaciónentre el coeficiente de compresibilidad Cc y el límite líquido.

Cc=0.005(LL+22)

Ing. Hugo Bonifaz

CONTENIDO DE HUMEDAD.



Ing. Hugo Bonifaz

DURABILIDAD:

Las gravas lateríticas son un común y muy importante material parala construcción de carreteras en los trópicos, por lo tanto es uncampo extenso e interesante en donde no se cuenta con buenosmateriales de construcción.

CIMENTACIONES:

E l l ti d i t i d l id l



En general los tipos de cimentaciones usados en suelos residualesvan desde zapatas a todo tipo de pilotes y cajones dependiendo del

espesor o del tipo adecuado de suelo que para determinadas cargas particulares es seleccionado.

ESTABILIDAD DE TALUDES:

Es necesario tomar muy en cuenta las características de

estratificación del depósito, el grado de alteración y la variabilidaden las características de resistencia.

Ing. Hugo Bonifaz

RECOMENDACIONES:1. Para iniciar cualquier tipo de trabajo en este tipo de depósitos

es necesario tener un estudio geológico para determinar conexactitud las características del mismo.

2. Tomar adecuadas precauciones al retirar las muestrasalteradas e inalteradas.



3. Estudiar determinadamente la manera de prepararlos pararealizar los ensayos de manera de no alterar significativamente su estructura.

4. Determinación precavida de sus características en sitio (%h,densidad natural, limites de consistencia con muestras deestado natural.

Ing. Hugo Bonifaz

5. Ensayos adicionales para su identificación:5.1 Análisis químico.

5.2 Sedimentación utilizando el dispersante adecuado.

5.3 Todos lo límites de consistencia con muestras alteradas einalteradas.



Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

1.- GENERALIDADES:El primer requisito para abordar cualquier problema de mecánica desuelos, consiste en tener un conocimiento perfecto en cuanto sea

posible de las condiciones del subsuelo, además el reconocimiento dela disposición, naturaleza y espesura de los estratos, así como de sus

características con respecto al problema en examen.

Tal conocimiento implica una prospección del subsuelo y una toma de



p p p ymuestras, en esa fase de estudios y en determinadas obras se tornanindispensables la colaboración con el Ingeniero Civil de un Geólogo

experimentado.La importancia de estos estudios es tan grande y tan evidente quealguien compara al Ingeniero que los omitiese con un cirujano queopere sin un previo diagnóstico o un abogado que defendiese a sucliente sin previo conocimiento de la causa.

Ing. Hugo Bonifaz

PROCEDIMIENTO DE INVESTIGACIÓN

MÉTODOS DIRECTOS

• Pozos y Calicatas

• Sondajes• Ensayos IN SITU



MÉTODOS INDIRECTOS• Geofísicos

• Cartas y Mapas Geológicos

• Fotografía Aérea

Ing. Hugo Bonifaz

MÉTODOS DIRECTOS.

Los métodos directos son aquellos en los cuales

necesitamos realizar trabajos físicos de perforación y toma de muestras para ensayar enl b t i



laboratorio.

TIPO DE MUESTRAS:

De acuerdo a la norma DIN-4021 se puede considerar cinco categorías demuestras, de acuerdo con su grado de alteración y con las consecuentesrepercusiones sobre las posibilidades de tomar muestras con información

válida.

Las categorías designadas en la norma DIN-4021, por clases, son las que



g g p q

constan en el cuadro siguiente: CLASE I: Muestras que no sufrieron distorsión ni alteración de volumen y

que por lo tanto presentan compresibilidad y características físico – mecánicas inalteradas aparentemente.

CLASE II: Muestra en que la compacidad y el contenido de humedad y lagranulometría, no sufrieron alteraciones, pero que fueron distorsionados por lo que sus características de resistencia fueron alteradas.

Ing. Hugo Bonifaz

CLASE III: Muestra que el contenido de humedad y la granulometríano sufrieron alteraciones pero que su densidad fue alterada.

CLASE IV: Muestra en que la composición granulométrica fuerespetada.

CLASE V: Muestra en que hasta la composición granulométricasufrió alteración.

CUADRO No. 20



CU O No. 0

CLASE CARACTERÍSTICAS

I II III IV V

MecánicasCompacidadContenido de…humedadGranulometría

XX

XX

X

XX

XX X

Características que no sufrieron alteración en el proceso de toma de muestras (x).

Ing. Hugo Bonifaz

PROFUNDIDAD, LOCALIZACIÓN Y NÚMERO DE SONDAJES

Con relación a esto no es posible definir reglas generales, debiéndose en cadacaso atender a la naturaleza del terreno y de la obra.

Estudios para Carreteras

En caso del estudio del perfil del futuro camino, el estudio deberá ser hechodurante el proyecto preliminar, y las perforaciones deberán hacerse en formaescalonada de manera que una perforación quede encima de la subrasante ypermitiéndonos conocer las características del terreno destinado a rellenos y



permitiéndonos conocer las características del terreno destinado a rellenos y préstamos

Ing. Hugo Bonifaz

Y otras se haga hasta 1.5 bajo la subrasante proyectada a fin deconocer las características físico mecánicas del terreno de fundacióndel pavimento.

Las muestras serán tomadas con 200 o 500 metros, de espaciamiento,

dependiendo del tipo de camino a construir.



Ing. Hugo Bonifaz

ESTUDIO PARA OBRAS HIDRÁULICAS

En caso de presas y grandes obras se torna indispensable llevar elreconocimiento hasta el lecho de la roca sana procurando conocer su perfil a lo largo de los sondajes y características de

permeabilidad del suelo.



Ing. Hugo Bonifaz

ESTUDIO PARA ESTABILIDAD DE TALUDES

Se deben realizar los siguientes trabajos: Inspección de campo

Observación de mapas geológicos de la zona. Características del material de cobertura y del perfil

de alteración



de alteración. Identificación de estructuras geológicas a nivel de

afloramiento (foliación, fracturas, contactoslitológicos, variación textural, etc.). Hidrología del talud, afloramiento de agua y zonas

de saturación.

Inestabilizaciones existentes (Tipo, características,área de influencia).

Ing. Hugo Bonifaz

Geometría de la vertiente y proceso deinestabilización.

Cobertura vegetal (tipo, indicación demovimiento por la inclinación de árboles).

Interferencias amtropicas (Cortes, rellenos,

desorganización del drenaje, lanzamiento deaguas, deforestación, etc.) Catastro de la situación actual.



Topografía actual Determinación del perfil estratigráfico (Con

perforaciones geofísica o ambos a la vez) Toma de muestras inalteradas y alteradas Análisis estructural Medidas de mitigación Instrumentación

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

ESTUDIO PARA CIMENTACIÓN DE EDIFICIOS - Número

El número de sondajes está relacionando con el área dela fundación, pudiéndose establecer a prioridad los

siguientes casos:N = 2 para superficies de construcción hasta 200 m2



N = 3 para superficies de construcción hasta 400 m2

N = S/200 para superficies entre 400 a 1.200 m2

N = S/400 + 3 para 1.200 < S < 2.400

N = número de sondajes

S = superficie de construcción

Ing. Hugo Bonifaz

PROFUNDIDAD DE EXPLORACIÓN CON EL SONDAJEh = L * c

h = profundidad

L = menor dimensión del rectángulo de menor área

c = coeficiente que es función del peso por m²



P = peso total de la estructura

S = superficie de construcción

S

P s

Ing. Hugo Bonifaz

CUADRO No. 21

PRESIONES s C

Hasta 10 T/m2

De 10 a 15 T/m2

De 15 a 20 T/m2

11.5

2

La profundidad de los sondajes se hará a partir de la superficie del



La profundidad de los sondajes se hará a partir de la superficie delterreno, no tomándose en cuenta para este cálculo la espesura de la

capa a ser excavada eventualmente.En caso de fundaciones profundas (Pilotes, etc.) el sondaje se hará a

partir de la mitad de la altura del pilote.

La profundidad mínima a explorarse será de 8 metros.

Ing. Hugo Bonifaz

h = L para edificios hasta de 10 pisosh = 1.5 L para edificios de 10 a 15 pisos

h = 2 L para edificios de 15 a 20 pisos.

La perforación generalmente se debe realizar hasta unaf i i ió i



profundidad donde el incremento de la presión σz sea igual al10% de la presión de contacto.

Ing. Hugo Bonifaz

RECONOCIMIENTO DEL SUBSUELO El reconocimiento de subsuelo tiene a conocer las característicasde los diversos estratos y su posterior trazado de los perfilesestratigráficos y consiste.

a. Inspección expedida en el campo y ejecución de sondajes para identificar los estratos de suelo.



b. Toma de muestras para ensayos

c. Ensayos de laboratoriod. Informe final de los ensayos de laboratorio

Ing. Hugo Bonifaz

PARA FUENTES DE MATERIALES Una vez que han sido definidas en el estudio las

posibles zonas que pueden, servir como fuentes demateriales para la construcción en esta etapa

procedemos a realizar el estudio de los yacimientosen forma individual teniendo en cuenta lascaracterísticas Técnico-Económicas de los



características Técnico Económicas de losmateriales a utilizar.

El método de estudio para esta etapa se puedeestablecer en las siguientes fases:

Ing. Hugo Bonifaz

A) PROSPECCIÓN PRELIMINAR O RECONOCIMIENTO:

En el reconocimiento se toma el primer contacto con elyacimiento, a fin de verificar la posibilidad de suaprovechamiento teniendo en vista, la calidad delmaterial y su volumen aproximado, comprende:

Inspección expedita en el campo Sondajes(máximo 5 hoyos) Ensayos de laboratorio serán objeto de observación



y jexpedita y obligatoria en el campo.

Taludes de los cortes El perfil del suelo Depósitos aluviales a las márgenes de los cursos de

agua que la carretera atraviesa o que son marginales,en el yacimiento que juzgue aprovechable en lainspección de campo se tomará la siguienteinformación

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Posición del yacimiento respecto al eje de la carretera. Delimitación aproximada del área de ocurrencia del material. Se harán cuatro hoyos de sondajes en la periferia del depósito y

una en el centro del área, convenientemente localizados, hastala profundidad necesaria o compatible con los métodos deextracción a ser adoptadas, podrán ser ejecutados más sondajes

si se juzga necesario (máximo 10). Será tomado para cada hoyo y para cada estrato, una muestra

de 50 kg., anotándose las cotas de mudanza de estrato.Se medirá la distancia de cada ho o de sondaje a los ho os de



Se medirá la distancia de cada hoyo de sondaje, a los hoyos desondajes vecinos a fin de tener una idea de las dimensiones del

yacimiento. El yacimiento será considerado satisfactorio, cuando los

materiales ocurrentes satisfagan las especificaciones, que parael efecto existen y están vigentes o cuando el estudio de otroyacimiento, permita la posibilidad de corrección por mezcla delmaterial de la primera, aunque sea en las peores condicionesencontradas.

Ing. Hugo Bonifaz

b) Prospección Definitiva.La prospección definitiva comprende.SondajesEnsayos de laboratorio

CubicaciónUna vez verificado el aprovechamiento técnico-económico del yacimiento, en base de los ensayos



y , yde laboratorio realizados con las muestras en los

hoyos tomadas en el reconocimiento, será entoncesrealizado el estudio del volumen aprovechable, paralo cual se traza una malla de 30 mts de lado, dentrode los límites del yacimiento determinado en elreconocimiento, de modo de obtener figuras

geométricas regulares, en cuyos vértices seránrealizados los sondajes.

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

En el caso de yacimientos de rocas ígneas seadoptan los procesos clásicos de cubicación.

En cada hoyo de la malla de 30 mts., seránrealizados ensayos de caracterización (clasificación)

para cada estrato de material, en caso de queexistan estratos con más de 1 metro de espesor deberá realizarse la clasificación por cada metro



deberá realizarse la clasificación por cada metro.

Tanto en la prospección del material, como en las

definitivas será utilizadas en las operaciones decampo, el boletín de sondaje que se adjunta en lacual constarán los siguientes aspectos.

Ing. Hugo Bonifaz

Número de registro de la muestra en el laboratorio

Número de la estaca de localización del hoyo en lamalla.

Posición del hoyo con relación al eje del camino

Número del hoyo de acuerdo a la nomenclaturautilizada.

Notas sobre el inicio y fin del estrato



Notas sobre el inicio y fin del estrato

Clasificación del campo

En lo que se refiere a rocas se admite y se tolerapara evitar el empleo de sondas rotativas en la

determinación del volumen, que la cubicación serealice indirectamente (geofísica por ejemplo).

Ing. Hugo Bonifaz

Su empleo se evita en la práctica por su elevado costo, lo cual se torna a

Abertura de Pozos de Exploración

La técnica que mejor satisface a los fines de prospección es sin dudala abertura de los pozos de exploración pues no solo permite una

observación en sitio de los diferentes estratos sino la extracción de buenas muestras.

MÉTODOS DE PROSPECCIÓN



p p p ,veces económicamente prohibitivo exigiendo numerosos trabajos de

protección al desmoronamiento y escurrimiento del agua cuando la prospección es preciso hacerla abajo del nivel de agua.

En la figura se indica un pozo de exploración protegido contra elescurrimiento del suelo por medio de entibado, luego presentamos los

procesos empleados para la retirada de muestras indeformadas en la

superficie del terreno o en el fondo de un pozo para suelos de diferentesnaturaleza.

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

TOMA DE MUESTRAS INALTERADAS.

a. Suelos cohesivos sin pedregullos



1) Clavado 2) Excavación alrededor del tubo 3) Acondicionamiento

Ing. Hugo Bonifaz

b. Suelos cohesivos con pedregullos o concrecionados



Caja de madera cuadrada c/aprox 40*401)Excavación 2)Colocación del fondo 3) Aconcionamiento

Ing. Hugo Bonifaz

c) Suelos no cohesivos



1) Clavado 2) Extracción del cilindro lleno

Ing. Hugo Bonifaz

SONDAJES

a. Ejecución de los sondajes:

Es la técnica mas conveniente empleada y consiste de un modogeneral en la abertura de un hoyo que normalmente se lo reviste

con tubos metálicos.La perforación como veremos mas adelante es hecha medianteherramientas o máquinas que van provocando la disgregación



herramientas o máquinas que van provocando la disgregación parcial o total del terreno permitiendo de ese modo la extracción

de nuestras representativas de los diferentes estratos atravesados, amedida que el sondaje prosigue las muestras son colectadas y seregistran las diferentes cotas en que aparecen estratos distintos asícomo los diversos niveles del agua y todas las otras observaciones

que puedan indicar al Ingeniero que medidas debe tomar pararealizar su trabajo.

Ing. Hugo Bonifaz

B. TIPO DE SONDAJE:b.1. Sondaje de Reconocimiento:

El diámetro de los tubos guías generalmente es de 2” (5 cm) ygeneralmente se inician con la ejecución de un hueco hecho con

barreno excavador hasta que el material se comienza a desmoronar y de ahí adelante se prosigue con un hoyo revestido y con un

barreno espiral.



p

Otro método es el método de percusión con rotación de agua.

De esta manera se obtiene muestras representativas de losdiferentes estratos

Cuando se utiliza el barrilete de toma de muestras se

aprovecha para medir un índice muy valioso que se denomina,RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN.

Ing. Hugo Bonifaz

b.2. Sondajes para retirar muestras inalteradas

El diámetro de los tubos generalmente es de 6’’ (15 cm) y demanera general son efectuadas del mismo modo que las de 2’’ y ladiferencia reside en el mayor cuidado con que deben ser hechasy en el tipo de toma de muestras empleadas.

La introducción de estos Toma Muestras deberá ser hechas por percusión de un martillo hidráulico sobre el revestimiento del

b



tubo

La percusión hecha al clavar los tubos exploradores es una de lasmayores causas de alteración de la muestra y un modo de medir esto es mediante la relación entre el área Ac de la porción del sueloque se disloca por el toma-muestra y el área Ai limitada por la

zapata cortante.

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Ac = ( De² - Di²) Ai = Di2

A A

Ac

Ai

De² - Di²

Di²π

4

π

4



b.3. Sondaje en rocas

Es hecho mediante sondas rotatorias que emplean brocas de

diamante.

Di²4

Ing. Hugo Bonifaz

Se refiere al estudio del suelo indirectamente y sinnecesidad de ningún tipo de sondaje geológico, en

MÉTODOS INDIRECTOS.

Los métodos indirectos son aquellos en los cuales nonecesitamos realizar ningún trabajo físico y nos valemosúnicamente de las propiedades físicas de los suelos.



carreteras se explica este método para clasificar el

terreno luego después en la exploración, localización detúneles, escogerlo taludes adecuados y elaboración del presupuesto.

Se emplean dos métodos generalmente:

Ing. Hugo Bonifaz

MÉTODO DE LA RESISTIVIDAD ELÉCTRICA

El principio del método está ilustrado por la figura y consiste en losiguiente:



Por medio de los electrodos A y B clavados en el terreno se hace pasar una corriente de intensidad I.

Por los otros dos electrodos (M y N) se mide la diferencia de

potencial V.

Ing. Hugo Bonifaz

Siendo la distancia común entre los cuatro electrodos Wenner nosindica que la propagación de la corriente eléctrica de intensidad I a

partir de un punto A se procesa siguiendo trayectorias rectilíneas.



Así por ejemplo entre 2 esferas de radios r y r + dr hay unadiferencia de potencial dv que de acuerdo con la ley de Ohm es

proporcional a la distancia del suelo conductor. O sea:

Ing. Hugo Bonifaz

r

dr dv2..2

.

ρ resistividad eléctrica del suelo conductor

Integrando la expresión anterior tenemos:

I v

.



I V

r

r v

..2

..2

que nos da el valor de la resistividad eléctrica del terreno

supuestamente homogéneo

Ing. Hugo Bonifaz

Cuando se trata de suelos no homogéneos el valor obtenidorepresentará la resistividad media de los diferentes estratos hastala profundidad alcanzada por la investigación que se consideraigual a d o sea el espaciamiento entre los electrodos.

El método de la resistividad eléctrica es útil en la delimitación desuelos de resistividad baja tales como las arcillas blandas ydepósitos orgánicos blandos.



En relación a suelos de resistividad alta tales como arcillas y

cascajos existe más dificultad.Las diferentes ecuaciones han sido formuladas para relacionar laresistividad total efectiva , en cualquier espacio con el espesor y la resistividad de capas individuales, textos y gráficos de log

contra log r se encuentran en la literatura geofísica para interpretar los datos mediante comparación visual con curvas ideales.

Ing. Hugo Bonifaz

Para pequeñas profundidades en suelos variables, se han diseñado

dos métodos rápidos y aproximados los mismos que están en usoen los departamentos de carreteras y firmas consultoras. Ambosutilizan el espacio Wenner e involucran el concepto de curvasequipotenciales indicadas en la Fig. 343.

Ya que la definición de voltaje en cualquier lugar de una líneaequipotencial es el mismo, las líneas de un espacio r entreelectrodos define dos superficies casi hemisféricas las cuales se



electrodos define dos superficies casi hemisféricas las cuales seextienden hasta la profundidad aproximada igual r . Por lo tanto

la medida de voltaje V entre las dos curvas envuelvenaproximadamente la resistividad del suelo en una profundidadigual r . Aumentando sistemáticamente, la distancia entreelectrodos, la profundidad puede gradualmente incrementarse y

dar una visión de la conformación del depósito.

Ing. Hugo Bonifaz

Un método de interpretación propuesto en 1945 por R.S. Moore

de la Oficina de Caminos Públicos es graficar versus espacior . Si es constante con la profundidad el resultado es una línearecta con una gradiente /r como se indica en la figura 344



Ing. Hugo Bonifaz

Donde 1 es la resistividad para la capa superior, conforme seaumenta el espacio y cambia el material se forma una segundalínea con la pendiente ρ2/r. La intersección de las dos líneasindica la profundidad del límite entre dos capas usualmentedentro del rango de 5 al 10%. Las ventajas sobre graficar

simplemente versus r pueden observarse en la misma figura.Un método desarrollado por H. E. Barnes del departamento deCarreteras del Estado de Michigan trata al suelo como capas



Ca ete as de stado de c ga t ata a sue o co o capasque actúan como resistencia en paralelo. En este caso puede

mostrarse que la conductancia en ohms o la reciproca de laresistencia en ohms de cualquier capa puede ser encontrada por:Ln Ln - Ln– 1.

Ing. Hugo Bonifaz

Donde Ln está definida como la conductancia o resistenciarecíproca de la capa n, Ln es la conductancia de todas lascapas hacia abajo o inferiores e incluye la capa n, Ln-1 es laconductancia de todas las capas hacia abajo pero no incluye lacapa n. Para los cálculos uno debe convertir las lecturas de

resistencia total a conductancias totales L. Algunos medidoresestán calibrados para leer L directamente en homssimplificando los cálculos. Sucesivamente Ln y Ln-1 estos



valores son sustraídos para obtener valores individuales de

Ln. La conductancia de la capa Ln es entonces convertida aresistividad por el uso de una ecuación modificada de Wenner.

Ln

nr n

.191

Ing. Hugo Bonifaz

Donde rn es el incremento de r en pies.

Ejemplo de aplicación.

Las siguientes lecturas de conductancia han sido obtenidas en lasdiferentes posiciones de los electrodos.

(Pies) Ln (mho)

3 0.0044



6 0.0143

9 0.0394

Calcular la conductancia y resistividad de cada capa.

1. Al restar las conductancias sucesivas L, obtenemos lo siguiente:

Ing. Hugo Bonifaz

Espesor de

capa (pies)

0 – 33 – 66 - 9

Ln (mho)

0.00440.00990.0251

2. Substituimos lo valores de Ln en la Ecuación

Ln

rn191

0 – 3 1 130 x 103 cm3191 x



1

3 – 6 2 58 x 103

6 – 9 3 23 x 103

Datos representativos de la resistividad de los suelos se indican en elcuadro siguiente

0044.0

3191 x

0099.0

3191 x

0251.0

3191 x

Ing. Hugo Bonifaz

CUADRO No. 22

VALOR REPRESENTATIVO DE LA RESISTIVIDAD DELOS SUELOS

SUELOS

103 mhos/cm



Limo saturado y arcillaArena fina y arcilla limosaArena arcillosa o arena saturadaArenaGrava

Superficie de la roca o arena seca

102550

150500

> 500

Ing. Hugo Bonifaz

MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

Un impacto mecánico (choque o explosión) se propaga en elsubsuelo con velocidades diferentes según los terrenos atravesados.Esta celeridad de las ondas sísmicas depende esencialmente de lacompacidad de las capas consideradas. La refracción sísmicasaca partido de este fenómeno.

Así, para suelos poco compactos como tierra vegetal, turba,gravas arcillas no consolidadas o descomprimidas la celeridad



gravas, arcillas no consolidadas o descomprimidas, la celeridad

varía entre 0 y 500 m/s y está comprendida entre 500 y 1500 m/s para rocas sueltas compactas, arcillas precomprimidas, arenas finas,niveles acuíferos sueltos. Puede alcanzar valores comprendidosentre 1500 y 7000m/s en las rocas compactadas tales como calizas,granitos, basaltos. Por tanto, toda instrucción de la sísmica

está concebida para medir celeridades.

Ing. Hugo Bonifaz

Un emisor de ondas móvil (masa o martillo) permite crear los

impactos y un captor fijo o geófono recibe las ondas propagadas por el subsuelo. Un aparato de medida permite conocer el tiempotranscurrido entre el choque y su recepción. En determinados modelos(Terra-Scout) puede observarse en un tubo catódico la forma yamortiguamiento de la onda.

En la mayoría de los casos, para el subsuelo próximo, las capas presentan celeridades crecientes con la profundidad. Se admite que laonda de choque se propaga en línea recta en un terreno dado, no



cambiando nunca de dirección excepto cuando penetra en un terreno

diferente (refracción de la onda).Consideremos dos capas diferentes superpuestas A y B, la capasuperior A tiene una velocidad V1 inferior a la velocidad V2 de la capainferior B.

La onda creada podrá alcanzar el geófono siguiendo dos caminosdiferentes

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

- Un camino lento pero más corto por el terreno A, y- Un camino rápido pero más largo por el terreno B.

Si el geófono y el emisor de ondas se encuentran próximos, serála onda que va por el terreno A la que alcanzará antes el

captor (camino corto).

Si después, el punto de impacto se encuentra suficientementealejado del geófono será la onda que pasa por el terreno B la



alejado del geófono será la onda que pasa por el terreno B laque llegará primero (camino más largo pero de mayor

velocidad)

Ing. Hugo Bonifaz

Si sobre un gráfico se colocan en abscisas las distancias entre el punto emisor y el geófono y en ordenadas los tiempos medidos,se obtiene una curva dromocrónica que normalmente estáformada por segmentos de rectas correspondientes a las distintascapas del subsuelo. Estos segmentos de rectas tienen unainclinación inversamente proporcional a la celeridad del medioconsiderado, pudiendo así obtenerse las velocidades buscadas.



Ing. Hugo Bonifaz



A continuación se indica la manera de calcular el espesor de lascapas en función de C, distancia horizontal correspondiente alcambio de celeridad en la curva domocrónica.

Entre el emisor y el geófono situado a una distancia x el tiempo derecorrido en superficie es igual a:

1V

x

Ing. Hugo Bonifaz

El tiempo de recorrido del rayo refractado será entoncesigual a:

si los dos tiempos de recorrido fueran iguales, x C de donde:21

.**)2(

*cos

2

V

itg D x

V i

D -

2211

**2

cos

2

V

itg D

V

C

iV

D

V

C

-

)(cos

2)( 1212 i senV V

i

DV V C --



pero el principio de Fermat se tiene:sen i

2

1

V

V

Resultando que:12

12

2 V V

V V C

D

-

Ing. Hugo Bonifaz

Un cálculo un poco más complejo permite interpretar el caso de tres o

cuatro capas diferentes.El error es el orden del 5 al 10%.

Un buen operador puede, eventualmente, reducirlo a un valor inferior endeterminados casos.

Las expresiones para estimar la potencia de las capas asumen que losestratos son paralelos a la superficie del terreno.

Si este no es el caso, las velocidades indicadas de las capas refractarias



pueden tener un error apreciable y pueden aún ser negativos, con un

chequeo de la línea sísmica inversa realizada sobre el mismo camino osendero cambiando la fuente de sonido y el geófono las distanciasdisminuyen del lado opuesto de la inversa.

Como se muestra en la figura 367 V1 será la misma pero la velocidadaparente V2 y las distancias de intersección difieren una de otra.

Las velocidades aparentes y las intersecciones pueden ser usadas

Ing. Hugo Bonifaz

con ecuación para calcular aproximadamente las

profundidades del cambio de cerca de los terminalesrespectivos (línea oblicua quebrada).



Ing. Hugo Bonifaz

Ejemplo 1:

Los datos de la figura da V1 2000 pies/seg. V2AB 3100 pies/se.,V2BA pies/seg., y lo tiempos indicados y distancias, calcular aproximadamente D1 en A y en B.

pies A 3.920003100

20003100

2

401

-

-



pies B 0.320002700

20002700

2

20

200031002

1

-

Ing. Hugo Bonifaz

La velocidad sísmica es un indicador estimativo de dureza.

De la teoría de elasticidad la velocidad de una onda compresivaen un sólido nos indica ser una función de la masa, módulo deelasticidad y la relación de Poisson.

La más importante de estos es el módulo de elasticidad, el cual esmuy sensible a la continuidad y contacto grano – grano.

Valores típicos de velocidades se indican en la tabla 23. lavelocidad en el aire es 1100 pies/seg mientras que en el agua es



velocidad en el aire es 1100 pies/seg., mientras que en el agua esde 5000 pies/seg.

La velocidad del suelo por debajo de 1100 pies/seg. sondifíciles de medir con un reloj sísmico, ya que la onda aérea

puede saltar el geófono. Esto dará un valor erróneo V1 y C1 en las

ecuaciones de profundidad. Cualquier velocidad de suelodeterminada alrededor de 1100 deberá revisarse.

Ing. Hugo Bonifaz

TABLA 23

DATOS DE VELOCIDAD SÍSMICA Material Pies por segundo

Suelo

Suelo densoArena o grava arriba del nivelfreáticoArcilla, pizarra blandaPizarra dura

800 – 1800

1500 – 2000

1500 – 40004000 – 70006000 – 10000



Arena gruesa

Limo alteradoLimoBasaltoGranitoDepósito glacialLoes

AguaAire

5000 – 10000

4000 – 80008000 – 180008000 – 13000

10000 – 200004000 – 7000

10000 – 12000

50001100

Ing. Hugo Bonifaz

Cuando en el gráfico aparecen tres o más velocidades

correspondientes a diferentes estratos, la expresión paraestimar el espesor de los estratos inferiores es usualmenteresuelto con la ayuda de ábacos o con una primeraaproximación se pueden utilizar las siguientes expresiones:

1

23

2322 85,0

2 D

V V

V V C

-



23

2312

12 2 V V

V V C C

D

--

-O también:

Por este método se pueden también obtener valores aproximadosdel módulo E de los suelos utilizando la relación teórica.

Ing. Hugo Bonifaz

)1()21(..

22

2

uuuV d

- --

V2 = velocidad de propagación de las ondas sísmicas en elinterior del suelo

γ = peso específico del suelo

u = coeficiente de Poisson2V



50

2

1V

E Visto que al velocidad de las ondas sísmicas es mayor en lossuelos saturados que en los suelos no saturados se puede aplicar este método en la determinación del nivel de agua en los

suelos permeables.

Ing. Hugo Bonifaz

La profundidad normal de la investigación oscila entre 10 y 20

m. Con posibilidades de alcanzar profundidades del orden de100 a 200 m. en determinados casos muy favorables.

De una forma general, la profundidad explorada estácomprendida entre el 20 y el 40% de la distancia que

separa el emisor del receptor.

Los resultados obtenidos son las velocidades de propagación delas ondas en los medios encontrados, así como los espesores.



pPor comparación con medios tipo de referencia, es posibletener una idea de su naturaleza geológica.

Este método es aplicable a determinados problemas decimentación, así como al estudio de las capas aluviales,deslizamientos, graveras y areneros, etc.

Ing. Hugo Bonifaz

Una fuerte humedad crea generalmente cortocircuitos en losaparatos alterando las medidas.

El hielo modifica las celeridades y falsea los resultados así comouna fuente de vibraciones próxima (viento violento en losárboles, paso de trenes, circulación de máquinas de obras

públicas) provoca ondas parásitas que pueden tambiénalterar las medidas.

Pero sobre todo si estamos ante un terreno de alta celeridad,



Pero sobre todo si estamos ante un terreno de alta celeridad,que se encuentra sobre otro de celeridad más débil, este últimono puede ser prospectado, puesto que la onda profunda enningún caso alcanzará a la onda superficial.

Ing. Hugo Bonifaz

Ejemplo:

Los resultados de un sondeo por refracción se dan en lasiguiente tabla.

Determinar las velocidades de la ondas P y el espesor delmaterial encontrado.

Distancia desde al fuente de

perturbación (m)

Tiempo de primera

llegada (s x 10^3)

2,5 11,2

5 23 3



5 23,3

7,5 33,5

10 42,4

12 50,9

20 57,2

25 64,4

30 68,6

35 71,1

40 72,1

50 75,5

Ing. Hugo Bonifaz

SOLUCIÓN:

Velocidad.- en la figura, los tiempos de primera llegada estángraficados contra la distancia desde la fuente de perturbación. Lagráfica tiene tres segmentos rectos. La velocidad en los tresestratos superiores puede calcularse como sigue:

Pendiente del segmento 0a =25.5

3^1023tan1

1 - xciadis

tiempoV

Estrato superior



sm x

V 22823

3^1025.51

-

Estrato superior

Ing. Hugo Bonifaz

Pendiente del segmento ab =

Pendiente del segmento bc=

11

3^1035.1

2

1 -

x

V

sm x

V 8.8145.13

3^10112 Estrato

intermedio



75.143^105.3

31 - x

V

s

m

V 42143 Tercer estrato

Ing. Hugo Bonifaz



Ing. Hugo Bonifaz

Espesor de los estratos.-

de la figura tenemos que Xc = 10.5 m, por lo que:

XcV V

V V Z

12

12

2

11

-

entonces

m Z 94.35.102288814

2288.814

2

11

-



2288.8142

El espesor del segundo estrato con la fórmula:

2^22^3

23

13

21̂2^3122

2

12

V V

V V

V V

V V Z Ti Z

-

-

-

Ing. Hugo Bonifaz

El valor de Ti2 es 65x10^-3 segundos. Por consiguiente:

2)^8.814(2)^4214(

)8.814()4214(

)228()4214(

2)^228(2)^4214()94.3(23^1065

2

12

-

-

-- x Z

Obteniéndose Z2 = 12.66 m

El estrato de roca se encuentra a una profundidad Z1 + Z2 = 16.6 mdid d d l fi i d l



medida desde la superficie del terreno

Ing. Hugo Bonifaz

SONDEO SISMICO CROSS - HOLE La velocidad de las ondas cortantes creadas como resultado de

un impacto a un estrato de suelo se determina por un sondeo

sísmico.

El principio de este procedimiento se ilustra en la figura que

sigue, que muestra dos agujeros perforados en el terreno a unadistancia L entre sí.

Se genera un impulso vertical en el fondo de un barreno por medio de una barra de impulso, las ondas cortantes así

d i d di d d



generadas, son registradas por medio de un transductor

verticalmente sensible. La velocidad de las ondas cortantes se calculan con la

expresión:

t

LVs

Ing. Hugo Bonifaz

Donde t es el tiempo de viaje de las ondas cortantes.



Ing. Hugo Bonifaz

El módulo del cortante del suelo a la profundidad de la prueba se

detrmina a partir de la Vs como:

g

GVs

g

VsG

2^

Donde G = módulo del cortante del suelo

γ = peso específico del suelo



g = aceleración de la gravedad

Los valores del módulo de cortante son útiles en el diseño decimentaciones sometidas a cargas dinámicas.

Ing. Hugo Bonifaz

TRATAMIENTO ESTADÍSTICO DE LOS DATOS

Como se sabe un depósito de suelo es heterogéneo y variable, ycomo es obvio para su estudio no es suficiente hacer unsondaje y realizar un solo ensayo y luego asumir estainformación como válida para todo el proyecto, por lo tanto

para tener una idea de la conformación del depósito de suelo enestudio es necesario realizar varios sondajes y muchos ensayosy sus resultados expresarlos como promedios o mediasaritméticas que son valores estadísticos fácilmente calculables



aritméticas que son valores estadísticos fácilmente calculables

y comprensibles.En la mayoría de los casos la media no es suficiente, sinembargo, los diseños de Ingeniería deben abarcar no solamente el

promedio sino también el rango, siendo ambas medidas

importantes. Sin embargo, el rango observado aumentará con elincremento del número de pruebas realizadas.

Ing. Hugo Bonifaz

La desviación está definida como:

n

x

xn

x

-

-

2

2

2

)(

o

Donde x representa un valor individual x es el promedio y n es el

x



Donde x representa un valor individual, x es el promedio y n es el

número de pruebas, las estimación de se vuelve más confiablecon un aumento del número de pruebas; pero por sí mismo nomuestra ningún cambio sistemático. Se utiliza la desviaciónestándar para calcular cuando una población excede de ciertos

límites; esto es hecho que existe una distribución normal de losdatos como se ven en la figura.

Ing. Hugo Bonifaz

Por ejemplo el 68% del área bajo esta curva representa el 68% de

la población y está limitada por x + que es la parte rayada dela figura.

Ejemplo: La respuesta del ensayo de penetración estándar fueobtenida después de 10 pruebas. Calcule la desviación estándar yestímese la N del valor excedido del 95% del depósito. (Clave):use el 90% del área limitada ya que esto definirá el 5% de lascolas a ambos lados de la distribución. Se da N 4, 12, 18, 9, 16,6 13 10 8 14



6, 13, 10 , 8, 14.

La media, N N: n (número de ensayos) 110 : 10 11,0.

Valores de (N - N ) son -7, 1, 7, -2, 5, -5, 2, -1, -3, 3.

Entonces (N- N )2 49 + 1+ 49 + 4 + 25 + 25 +4 + 1 + 9

+ 9 176

Ing. Hugo Bonifaz

2,410

176

11,0 + 4,2 donde el +- significa la desviación estándar. Sinosotros distribuimos un y correctamente estimado de la

figura, 90 de los valores estarán entre 11 +- 1,645 (4,2) 4,1 a17,9. Si la distribución es simétrica 5% serán menores que 4,1 y95% excederán a 4,1.

Otro uso común de la desviación estándar es estimar la validez

N

N



de la medida calculada como representante del universo verdadero;esto se refiere como los límites confidentes de la media y es unafunción de Nota que la describe solamente la media y no la

población de ensanche entre más grande la muestra más pequeños los límites de confidencia.

Ing. Hugo Bonifaz

Teoria Ingenieria de Suelos II Part 2

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