Cimentaciones Superficiales y Profundas

MECANICA DE SUELOS APLICADA

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MECANICA DE SUELOS APLICADA UNIDAD 4 Cimentaciones Cimentaciones superficiales y profundas profundas Las cimentaciones superficiales son conocidas también como poco profundas o someras. Debido a que en la práctica y de acuerdo los reglamentos, los cimientos deben tener una determinada profundidad de desplante, por razones de fuerzas laterales (viento, sismo, etc.), debiéndose evitar también, desplantarse sobre tierra vegetal, rellenos sueltos o desechos. Generalmente en edificios la profundidad de las cimentaciones superficiales varía aproximadamente entre una y dos veces el ancho del cimiento; sin embargo en puentes, las cimentaciones superficiales se consideran todas las que se construyen en una excavación a cielo abierto, aunque el nivel de desplante se encuentre a gran profundidad, determinado éste último comúnmente, por la prevención de erosiones ocasionadas por el flujo de agua en máximas avenidas. La utilización de cimentaciones superficiales esta en función de las características del terreno en cuanto a capacidad de carga y asentamientos, así como a sus costos de construcción. Es relevante señalar la importancia de los estudios de campo que nos indique las características del suelo que estará en contacto con la cimentación, pero también los que nos indiquen la existencia de cavernas, ductos, colectores, minas de arena, etc., que puedan afectar nuestra edificación. En algunas poblaciones en sus reglamentos de construcción establece una regionalización de sus suelos de acuerdo a estudios generales realizados, sin embargo esta información no es suficiente para definir una cimentación, por lo que se debe realizar un estudio específico de mecánica de suelos en los sitios donde se pretenda construir una estructura. Clasificación

Los tipos más frecuentes de cimentaciones superficiales son las zapatas aisladas, las zapatas corridas y las losas de cimentación; y los materiales más comúnmente usados en nuestro país es el concreto armado y la mampostería de piedra. Las zapatas aisladas son elementos de la subestructura comúnmente cuadradas o rectangulares, rectangulares, que tienen por función transmitir la carga de las columnas al terreno en una mayor área, para transmitir la presión adecuada a la capacidad de carga del suelo y tomando en cuenta su efecto en los posibles asentamientos; se construyen comúnmente de concreto armado


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MECANICA DE SUELOS APLICADA UNIDAD 4 Cimentaciones Cimentaciones superficiales y profundas profundas Las cimentaciones superficiales son conocidas también como poco profundas o someras. Debido a que en la práctica y de acuerdo los reglamentos, los cimientos deben tener una determinada profundidad de desplante, por razones de fuerzas laterales (viento, sismo, etc.), debiéndose evitar también, desplantarse sobre tierra vegetal, rellenos sueltos o desechos. Generalmente en edificios la profundidad de las cimentaciones superficiales varía aproximadamente entre una y dos veces el ancho del cimiento; sin embargo en puentes, las cimentaciones superficiales se consideran todas las que se construyen en una excavación a cielo abierto, aunque el nivel de desplante se encuentre a gran profundidad, determinado éste último comúnmente, por la prevención de erosiones ocasionadas por el flujo de agua en máximas avenidas. La utilización de cimentaciones superficiales esta en función de las características del terreno en cuanto a capacidad de carga y asentamientos, así como a sus costos de construcción. Es relevante señalar la importancia de los estudios de campo que nos indique las características del suelo que estará en contacto con la cimentación, pero también los que nos indiquen la existencia de cavernas, ductos, colectores, minas de arena, etc., que puedan afectar nuestra edificación. En algunas poblaciones en sus reglamentos de construcción establece una regionalización de sus suelos de acuerdo a estudios generales realizados, sin embargo esta información no es suficiente para definir una cimentación, por lo que se debe realizar un estudio específico de mecánica de suelos en los sitios donde se pretenda construir una estructura. Clasificación

Los tipos más frecuentes de cimentaciones superficiales son las zapatas aisladas, las zapatas corridas y las losas de cimentación; y los materiales más comúnmente usados en nuestro país es el concreto armado y la mampostería de piedra. Las zapatas aisladas son elementos de la subestructura comúnmente cuadradas o rectangulares, rectangulares, que tienen por función transmitir la carga de las columnas al terreno en una mayor área, para transmitir la presión adecuada a la capacidad de carga del suelo y tomando en cuenta su efecto en los posibles asentamientos; se construyen comúnmente de concreto armado


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Las zapatas corridas son también elementos de la subestructura, que tienen por función transmitir la carga de muros o varias columnas al terreno en una mayor área, para transmitir la presión adecuada a la capacidad de carga del suelo y tomando en cuenta su efecto en los posibles asentamientos; se construyen comúnmente de mampostería o concreto armado

Cuando la capacidad de carga del suelo es baja y el tamaño de las zapatas requeridas es grande y poco prácticas, puede ser una mejor solución construir toda la estructura sobre una losa de concreto armado, llamadas éstas “ losas de cimentación ”. ”.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA 4. 2 Factores que determinan el tipo de cimentación

Existen varios factores que influyen para determinar el tipo de cimentación de una estructura, como puede ser el económico, el proceso constructivo, los materiales de la región, etc.; sin embargo desde el punto de vista de la mecánica de suelos se puede enfocar a dos básicamente; el primero es la capacidad de carga del suelo, debido a que no debe ocurrir una falla por cortante del suelo que soporta a la cimentación (estado límite de falla) y el segundo es que el asentamiento de suelo causado por la carga se encuentre dentro de los limites admisibles (estado límite de servicio). El Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, publicado en la Gaceta Oficial del Distrito Federal el 29 de enero de 2004, establece la definición del estado límite de falla en su Articulo 148 como: “ Se considerará como estado límite de falla cualquier situación que corresponda al agotamiento de la capacidad de carga de la estructura o de cualquiera de sus componentes, incluyendo la cimentación , o al hecho de que ocurran daños irreversibles que afecten significativamente su resistencia ante nuevas aplicaciones de carga”.

El mismo Reglamento establece la definición del estado límite de servicio en su Articulo 149 como: “ Se considerará como estado límite de servicio la ocurrencia de desplazamientos , agrietamientos, vibraciones o daños que afecten el correcto funcionamiento de la edificación, pero que no perjudiquen su capacidad para soportar cargas. Los valores específicos de estos estados límite se definen en las Normas” .

Factor de seguridad

El cálculo de la capacidad de carga admisible o de trabajo, en una cimentación superficial requiere de la aplicación de un factor de seguridad (FS), para dar los márgenes de seguridad necesarios, para considerar las incertidumbres de las propiedades de los suelos que son un material “natural”. En la forma más simple se puede escribir.

Considerándose el Factor de seguridad comúnmente igual o mayor de 3, en algunos casos dependiendo del tipo de obra y de si se toman cargas permanentes vivas y accidentales, el valor puede reducirse a 2 o 2.5.

CONDICONES QUE DEBE CUMPLIR LA CIMENTACION.

Estabilidad global La estructura y su cimiento pueden fallar globalmente sin que se produzca, antes, otros fallaos locales. Este tipo de rotura es típico de cimentaciones en taludes o en medias laderas.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Estabilidad frente al hundimiento.

Este fallo del terreno puede ocurrir cuando la carga actuante sobre el terreno, bajo algún elemento del cimiento, supera la carga de hundimiento. Estabilidad frente al deslizamiento.

El contacto de la cimentación con el terreno puede estar sometido a tensiones de corte. Si estas superan la resitencia de este contacto se puede producir el deslizamiento entre ambos elemento, cimentación y terreno. Estabilidad frente al vuelco

El vuelco es típico de estructuras cimentadas sobre terrenos cuya capacidad portante es mucho mayor que la necesaria para sostener la cimentación, de otra forma, antes de producirse el vuelco se provocaría el hundimiento del cimiento. Capacidad estructural del cimiento Los esfuerzos en los elementos estructurales que componen el cimiento, igual que cualquier otro elemento estructural, pueden sobrepasar su capacidad resistente. Los estados limites últimos que, es ese sentido, deben considerarse son los mismos que con el resto de los elementos estructurales.

Cimentaciones sobre rellenos

Los rellenos son depósitos artificiales que se diferencian por su naturaleza y por las condiciones bajo las que son colocados. Por su naturaleza pueden ser: a. Materiales seleccionados: todo tipo de suelo compactible, con partículas no mayores de 7.5 (3”), con 30% o menos de material retenido en la malla ¾” y din

elementos distintos de los suelos naturales. b. Materiales no seleccionados: todo aquel que no cumpla con la condición anterior. Por las condiciones bajo las que son colocados: Controlados. No controlados.

4.3 CIEMENTACIONES SUPERFICIALES EN TALUDES

En el caso de cimientos ubicados en terrenos próximos a taludes o sobre taludes o en terrenos inclinados, la ecuación de capacidad de carga debe ser calculada teniendo en cuenta la inclinación de la superficie y la inclinación de la base de la cimentación, si la hubiera. Adicionalmente debe verificarse la estabilidad del talud, considerando la presencia de la estructura. El factor de seguridad mínimo del talud, en consideraciones estáticas debe ser 1.5 y en condiciones sísmicas 1.25.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA 4.4 CIMENTACIONES COMPENSADAS.

Se entiende por cimentaciones compensadas aquellas en las que se busca reducir el incremento neto de carga aplicada al subsuelo mediante excavaciones de terreno y uso de un cajón desplantando a cierta profundidad. Según que el o incremento neto de carga aplicada al suelo en la base del cajón resulta positivo, nulo o negativo, la cimentación de denomina parcialmente compensada o sobre compensada, respectivamente. Para el calculo del incremento de carga transmitido por este tipo de cimentación y la revisión de los estados limite de servicios, el peso del estructura a considerar será; la suma de la carga muerta, incluyendo el peso de la subestructura , mas la carga viva con intensidad media, menos el peso total del suelo excavado. Esta combinación será afectada por un factor de carga unitaria. El cálculo anterior deberá realizarse con precisión tomando en cuenta que los asentamientos son muy sensibles a pequeños incrementos de la carga neta. Además, en esta evaluación deberán tomarse en cuenta los cambios posibles de materiales de construcción, de la solución arquitectónica o de usos de la construcción susceptible de modificar significativamente en el futuro dicha carga neta. Cuando la incertidumbre al respecto sea alta, la cimentación compensada deberá considerarse como poco confiable y deberá aplicarse un factor de carga mayor que la unidad, cuidando al mismo tiempo que no pueda presentarse una sobre compensación excesiva, o adoptarse otro sistema de cimentación. La posición de las celdas del cajón de cimentación que este por debajo del nivel freático y que no constituya un espacio funcionalmente útil, deberá considerarse como llena de agua y el peso de esta deberá sumarse al de la subestructura, a menos que dicho espacio se rellene con material ligero no saturable que garantice la permanencia del efecto de flotación.

4.5 Cimentaciones profundas Las cimentaciones profundas son elementos estructurales conocidos como pilotes y pilas, construidos comúnmente de concreto, acero o madera, y tienen básicamente la función de transmitir el peso de la estructura a estratos a una mayor profundidad en los cuales se garantice que se cumplan con los estados limites de falla y de servicio, en cuanto a la capacidad de carga y asentamientos; cuando con las cimentaciones poco profundas no se puedan cubrir estos requisitos. Clasificación

Las cimentaciones profundas se clasifican comúnmente en pilotes y pilas, de acuerdo a las dimensiones de su sección transversal cuando el diámetro o lado mayor es de 60 cm. (SMMS) o menor se definen como pilotes y cuando es mayor de este se definen como pilas. Dos criterios importantes de clasificación de las pilas y los pilotes, son: Según la forma como trasmiten sus cargas al suelo y según su procedimiento constructivo.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Según la forma como transmiten las cargas al subsuelo

De acuerdo a como transmiten las cargas al subsuelo las pilas y los pilotes, se pueden dividir en de punta, pilotes de fricción, pilotes de anclaje y pilas y pilotes con carga horizontal. Las pilas y pilotes de punta se usan cuando hay necesidad de transmitir las cargas de la superestructura un estrato profundo de suelo resistente o de roca y puede apoyarse sobre la superficie o empotrarse en estos estratos.

Los pilotes de fricción se usan, cuando hay necesidad de transmitir las cargas de la superestructura y no hay un estrato de suelo resistente o de roca para colocar un pilote o pila de punta, o cuando la zona sufre de asentamientos de consolidación regional y hay necesidad que la estructura se asiente a la misma velocidad de las estructuras vecinas.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Los pilotes de anclaje se usan, cuando hay necesidad de transmitir las cargas de la superestructura y existe un estrato de suelo expansivo que pueda provocar esfuerzos indeseables del suelo hacia la estructura.

Las cargas horizontales en los pilotes y pilas, pueden ser producto de las reacciones de la estructura o por cargas accidentales como un sismo, y pueden ser verticales o inclinados,


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Según su proceso constructivo

De acuerdo a su proceso constructivo se pueden clasificar: con desplazamiento, con poco desplazamiento y sin desplazamiento. El desplazamiento en el hincado de pilotes es importante, porque en suelos cohesivos pueden producir remoldeo que provoca una disminución en su resistencia al cortante y en suelos granulares el efecto contrario por aumentar la densidad relativa. Con desplazamiento

Los pilotes con desplazamiento son aquellos que en el momento de ser hincado desplazan una cantidad de suelo igual al volumen del tramo de pilote hincado. El hincado prácticamente es propio de los pilotes debido a su forma esbelta, y se tienen los siguientes casos: Pilotes hincados a percusión . Este tipo de pilotes es el más conocido y que consiste

en hincar los pilotes a percusión con un martillo de impacto y una torre guía para darle dirección, vertical o inclinada. Pilotes hincados a presión . Estos pilotes se hincan en tramos de poca altura, a través de un sistema de un marco de carga con un gato hidráulico que aplica la presión al pilote. Este sistema tiene la ventaja de que se puede trabajar en lugares con problemas de altura, como es el caso de trabajar dentro de una construcción, y como desventaja se tiene, el establecer la forma en que los diferentes tramos del pilote queden debidamente unidos para trabajar como un solo elemento. Pilotes hincados con vibración. Este tipo de pilotes se emplean en suelos granulares, y el método consisten en colocar sobre el pilote un sistema de carga vertical más uno o dos motores rotatorios con elementos excéntricos que genera la vibración. Con poco desplazamiento

Los pilotes con poco desplazamiento son aquellos que en el momento de ser hincado desplazan solo una cantidad de suelo menor al volumen del tramo de pilote hincado. Igual que el caso anterior el hincado prácticamente es propio de los pilotes debido a su forma esbelta, y se tienen los siguientes casos: Pilotes hincados con una perforación previa. Como su nombre lo indica en este caso se realiza una perforación de diámetro menor al del pilote, con la intención de evitar el desplazamiento excesivo de suelo, sin perder la propiedad de tener una resistencia al esfuerzo cortante entre el suelo y el pilote, a través de su fricción o adherencia. Pilotes hincados con chiflón de agua. Son pilotes hincados en suelos granulares, los cuales durante el procedimiento de hincado a través de un sistema hidráulico en la punta del pilote se inyecta agua a presión, con la finalidad de que erosione la zona del frente de penetración y se extraiga parte del suelo por arrastre junto con el agua que asciende a la superficie. Pilotes de área transversal pequeña. Se incluyen en esta clasificación los pilotes de perfiles de acero.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Sin desplazamiento

Los pilotes y pilas sin desplazamiento son aquellos en los que se realiza la perforación respectiva y se arman y cuelan en sitio, ya que comúnmente son de concreto reforzado. 4.7 HINCA DE PILOTES

Los pilotes hincados pertenecen al grupo de pilotes de desplazamiento. La hinca es el procedimiento mediante el cual se introducen estos pilotes en el suelo. Los materiales de los pilotes hincados son variados, siendo los más usuales: madera, acero y hormigón.

.

Pilotes de acero

Los pilotes de acero, generalmente son tubos o perfiles h. se hincan generalmente con sus extremos abiertos o cerrados. También se emplean perfiles doble T (IPN, IPE, etc) aunque se prefieren las secciones H por que los espesores de sus almas y alas suelen ser iguales. Cuando es necesario los pilotes de acero se empalman por medio de soldadura, remaches o tornillo. Pilotes de hormigón

Pueden ser armados o pretensados. Ambos suelen tener sección cuadrada. Sus dimensiones oscilan entre 15x 15 cm a 60 x 60 cm. Las armaduras de estos pilotes se diseñan para resistir el momento que se genera al manipularlo (levantarlo, transportarlo, etc.). Además, deben resistir la carga vertical, la de hinca y el momento flector lateral una vez hincado


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Pilotes de madera

Los pilotes de madera son troncos de arboles cuyas ramas y corteza se han retirando cuidadosamente. Su longitud máxima suele estar entre 10 y 20 m. evidentemente, la madera debe ser sana y sin defectos; además debe ser recta. No es recomendable empalmarlos.

Capacidad de carga en los diferentes tipos de cimentaciones profundas

En las cimentaciones profundas existe también los criterios de capacidad de carga última y capacidad de carga admisible, en el caso de la capacidad de carga última existe una mayor incertidumbre en los modelos para su determinación, por lo que es importante realizar de ser posible pruebas de carga sobre prototipos en sitio y los factores de seguridad deben fluctuar entre 4 y 5. Determinar la capacidad de carga última de un pilote, Q u es complejo, sin embargo, se puede representar en forma práctica como la suma de la capacidad de carga tomada por la punta del pilote Q p , más la capacidad de carga tomada por la resistencia al esfuerzo cortante (suelo – pilote) por la superficie del fuste del pilote Q s. Q u= Q p+ Q s

Capacidad de carga de un pilote de punta Q p

La capacidad de carga de un pilote de punta, tiene una forma semejante a la formula de cimentaciones poco profundas, expresada como esfuerzo se puede representar:

Considerando que el diámetro del pilote D, es relativamente pequeño, el primer término de la ecuación se puede eliminar sin una afectación considerable de la determinación de la capacidad de carga, quedando la ecuación:

Donde: c = cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´ =esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL

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MECANICA DE SUELOS APLICADA ∗∗

N , N =factores de capacidad de carga para cimentaciones profundas

cq

La capacidad de carga de un pilote de punta, expresada como fuerza, se determina multiplicando el esfuerzo por el área transversal del pilote Ap , y se puede representar como:

Ejemplo Determinar la capacidad de carga por punta de un pilote de 10 metros de largo y una sección transversal circular de 30 centímetros de diametro, hincado en un estrato de arena (c=0) con las siguientes características:

Datos: Suelo: Arena homogénea γ= 1.7 t/m 3 ϕ= 31o ∗q N =60 (Meyerhof) De acuerdo a la formula para capacidad de carga por punta:

Por ser un suelo puramente friccionante c=0, la formula se


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MECANICA DE SUELOS APLICADA reduce:

Considerando que existe una la resistencia límite por punta definida por la formula:

|

Aplicando los valores para hacer la comparación.

Por lo tanto la capacidad de carga última por punta del pilote es la menor:

Capacidad de carga de una pila perforada

La capacidad de carga de una pila perforada, se puede determinar en forma semejante a la de los pilotes: Q u= Q p+ Q s

La capacidad de carga de punta de una pila, tiene una forma semejante a la formula de cimentaciones poco profundas, y se puede representar como:

Considerando que el diámetro de la base de la pila es D Donde: Ap = Área de la base de la pila (con o sin campana) γ = Peso especifico del suelo de la base D = Diámetro de la base de la pila c = cohesión del suelo que soporta la punta de la pila q´ =esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta de la pila


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UNIDAD 5 EMPUJE DE TIERRAS 5.1 Clasificación de los elementos de retención

En la práctica de la Ingeniería Civil, es común el tener que realizar obras en las cuales se tengan diferencias de niveles en suelos; como es el caso de sótanos, andenes, rampas de acceso, plataformas industriales, etc.; así como también realizar cortes en caminos, ferrocarriles, etc.; debido esto, es necesario construir elementos de retención que nos proporcionen estabilidad y seguridad. Un elemento de retención proporciona un soporte lateral a un talud o a un suelo vertical, pueden ser de mampostería, concreto simple, concreto armado, de acero, de madera, etc., sin embargo con la finalidad de establecer un criterio de clasificación de éstos elementos, se considerarán como rígidos y flexibles. Los elementos de retención rígidos, son básicamente los muros que proporcionan la estabilidad por gravedad, o como comúnmente se dice: por peso propio ; pueden ser de mampostería de piedra, concreto simple, etc.

Los elementos de retención flexibles, son elementos de poco espesor (como los tablestacados) sometidos a momentos flexionantes y que estructuralmente se diseñan de concreto armado, acero, etc.


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Existen elementos de retención que pueden quedar en “medio” de estas dos

clasificaciones, como son las losas con contrafuertes, que son una combinación de ambos. Estado de reposo

Considerando un elemento de suelo (imaginando un cubo), localizado a una profundidad z , de una masa de suelo, éste se encuentra sometido a esfuerzos en función de la profundidad.

Considerando los planos horizontales y verticales, los esfuerzos a los que está sometida la partícula serán los esfuerzos efectivos verticales y esfuerzos efectivos horizontales , que en caso de estar seco el suelo, éstos serán los esfuerzos verticales totales y los esfuerzos h orizontales totales , respectivamente.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Si en forma “ instantánea ”, se colocara un elemento de retención, sin ninguna deformación

horizontal, este elemento quedaría sujeto a una presión horizontal igual a la presión de confinamiento h σ

Por su comportamiento plástico el esfuerzo vertical es prácticamente mayor que el esfuerzo horizontal.

Por lo que lo que la relación entre el los esfuerzos: horizontal y vertical, lo conocemos como K o, coeficiente estado de reposo .

Ejemplo Determinar el empuje en estado de reposo sobre un elemento de retención de paramento vertical de 4 m. de altura, que contiene una arena seca con un peso especifico γ=1.8 t/m3 y un coeficiente de estado de reposo K o =0.6. a) Suelo seco b) Con N.A.F. a 1m. de profundidad a partir de la superficie a) Suelo seco


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Como se puede ver la resultante del área de esfuerzos horizontales E o, determina el empuje en estado de reposo:


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MECANICA DE SUELOS APLICADA b) Con N.A.F. a 1m. de profundidad a partir de la superficie


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5. 2 Estados plásticos de equilibrio

Los Estados plásticos de equilibrio o de equilibrio plástico, son las condiciones en las cuales una masa de suelo que se encuentra detrás de un elemento de retención se encuentra en un estado falla incipiente.Como se puede ver en el diagrama de esfuerzos, existen tres círculos de Mohr, el número 1 corresponde a un suelo que se encuentra en estado de reposo en el cual el esfuerzo principal mayor corresponde al esfuerzo vertical σ v y el esfuerzo principal menor corresponde al esfuerzo horizontal en estado de reposo σ ho ; el circulo número 2 corresponde al mismo suelo, en el cual el esfuerzo principal mayor es el mismo esfuerzo vertical σ v que corresponde al peso del suelo que tiene arriba la partícula, sin embargo ahora el elemento de soporte se ha retirado una distancia diferencial del suelo, de tal forma que el esfuerzo horizontal o principal menor disminuye hasta en estado de falla incipiente conocido como estado activo σ ha , el cual se observa en la gráfica como el instante en el cual el circulo se hace tangente a su línea envolvente de falla por cortante; el circulo número 3 el mismo suelo conserva el esfuerzo vertical σ v que se convierte en un esfuerzo menor debido a que el elemento de retención se desplaza hacia al relleno comprimiendo al suelo hasta llegar a un estado incipiente de falla conocido como estado pasivo en el que el esfuerzo horizontal crece σ h p y en la gráfica se puede observar que el circulo se hace tangente a su línea envolvente de falla por cortante,


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5.3 TEORIAS Y METODOS PARA DETERMINAR EL EMPUJE DE TIERRAS Teoría de Rankine

Rankine investigo en 1857 las condiciones de esfuerzos en el suelo en sus estados límites plásticos, a continuación se plantean los estados activo y pasivo. Estado activo

El estado plástico activo, como ya se explicó, se sucederá cuando el elemento de retención se aleja del suelo y éste queda en una falla incipiente, este caso puede darse con una pequeña rotación del elemento de retención, es por eso que comúnmente se utiliza como criterio para el diseño de muros y tablestacados. Considerando un suelo con cohesión y fricción el esfuerzo efectivo horizontal se puede determinar de la siguiente forma: En la gráfica de esfuerzos, analizando el circulo de Mohr que se forma en el momento que éste se hace tangente a la envolvente de falla por cortante (estado activo), trazamos un radio del centro al punto de tangencia, con lo que se forma el triangulo rectángulo ABD.


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Estado activo y pasivo en rellenos de superficie inclinada

Si la superficie del relleno que contiene el elemento de retención es inclinada en un ángulo β con la horizontal, las formulas correspondientes para conocer los empujes en estados activo y pasivo son:

Los empujes son paralelos a la superficie del terreno y se aplican a un tercio de la altura del muro a partir de la base Estado activo. Sobrecarga uniformemente distribuida INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL

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MECANICA DE SUELOS APLICADA El efecto de una sobrecarga uniformemente distribuida en un relleno horizontal, puede considerarse incrementando uniformemente la presión actuante contra el elemento de retención tomando en cuenta el efecto del coeficiente de estado activo.

Teoría de Coulomb

Coulomb publicó en 1776 su teoría racional para calcular empujes en soportes de retención. Coulomb observó que si se retiraba el soporte de un suelo friccionante, en el relleno se formaba una cuña de falla delimitada por la superficie del suelo, el límite con el soporte y una superficie curva de falla desarrollada en el relleno y que para f ines prácticos consideró plana, como se muestra en la figura en donde W es el peso propio de la cuña crítica, F es la resultante de la reacción del suelo, E es la resultante de la reacción del soporte (es igual al empuje sobre el muro), α es el ángulo de la inclinación del respaldo soporte con la vertical, β es el ángulo de inclinación de la superficie del relleno con la horizontal, ϕ es el ángulo de fricción interna y δ es el ángulo de fricción suelo - soporte. El empuje que ejerce el suelo contra el soporte se puede determinar conociendo la cuña crítica y resolviendo gráficamente a través de una suma vectorial, debido a que conocemos la magnitud, dirección y sentido del vector W, y las magnitudes y direcciones de los vectores F y E.


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El ángulo δ de fricción suelo – soporte, está en función de la textura del soporte (de muy lisa a muy rugosa) con lo que teóricamente puede variar de 0 a ϕ recomendando Terzaghi tomar valores entre: ,

La solución matemática a la teoría de Coulomb para un suelo friccionante está dada con la siguiente formula:

En el caso en que el paramento del soporte sea vertical ( α=0), el relleno sea horizontal (β=0) y la fricción suelo – soporte no exista ( δ=0); las teorías de Coulomb y Rankine para estado activo, coinciden:

En suelos cohesivos – friccionantes hay que considerar en la cuña de falla, la zona de tensión que se presenta por la cohesión del suelo, así como dos vectores adicionales: el C que representa la resultante de la cohesión en la superficie de falla y el C´ que representa la adherencia suelo – soporte. De estos dos vectores se puede conocer su magnitud, dirección y sentido, según datos de cohesión y adherencia unitaria, multiplicado por la superficie de contacto suelo – suelo y suelo – soporte, no incluyendo la correspondiente a la zona de tensión.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA El empuje del suelo sobre el soporte se puede determinar conociendo la cuña crítica y resolviéndolo a través de sumar el polígono de vectores, debido a que conocemos las magnitudes, direcciones y sentidos de los vectores W, C y C´, y las magnitudes y direcciones de los vectores F y E.

Método de Culmann

El método de Culmann es un método gráfico que sirve para determinar el mayor empuje sobre el soporte, provocado por la cuña crítica de suelo. El método en suelos friccionantes, consiste en proponer varias cuñas hipotéticas de falla y dibujar los Polígonos de fuerzas sobre un mismo eje, de tal forma que se pueda trazar una línea curva (línea de Culmann) que una los vectores que representan los empujes de las diferentes cuñas con la finalidad de determinar la el vector de mayor magnitud que representa el mayor empuje sobre el soporte (empuje activo). Con la finalidad didáctica se dibujan los vectores del peso propio en forma vertical, notándose que el máximo empuje a E corresponde al de la cuña 4 (cuña crítica), que es donde la línea de Culmann es tangente a una línea vertical.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA El punto de aplicación del empuje activo se obtiene encontrando el centroide G de la cuña critica y pasando sobre éste una paralela a la superficie de crítica de falla hasta interceptarse con el soporte de retención,

Ejemplo Determinar por el método semiempírico de Terzaghi el empuje en estado de activo, sobre un elemento de retención de paramento vertical de H=4 m. de altura, que contiene una arena seca con un peso especifico γ=1.8 t/m3 y ángulo de fricción interna ϕ=31o y una

Para empuje activo, se considera:

determinar

el

Caso 1. (La superficie del relleno es plana, inclinada o no y sin sobrecarga alguna) 470 Kg/m 2/m y K v = 0 y suelo tipo I (Suelo granular grueso, sin finos), por lo que K h= (según tablas)sobrecarga unifomemente distribuida q=2t/m 2.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Para determinar el empuje de la sobrecarga, se considera: Relleno tipo I

5.4 Ademes

En obras donde se realizan excavaciones temporales, es necesario mantener la estabilidad de las paredes verticales de suelo, por la que se recurre a colocar ademes , que son elementos de madera o acero detenidos por puntales colocados transversalmente a la excavación. Para determinar el empuje del suelo sobre los ademes y puntales, las teorías clásicas de Rankine y Coulomb no son aplicables, por lo que se debe recurrir a otros métodos, debido a que se ha observado que la distribución de esfuerzos verticales sobre el ademe es aproximadamente parabólica y no lineal como lo consideran la teorías clásicas en los soportes de retención. Considerando las mediciones reales con celdas de presión en obras de ademado, Terzaghi establece un criterio práctico para la determinación de los esfuerzos sobre los ademes, a través de envolventes de esfuerzos horizontales.


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En las arenas Terzaghi propone en su envolvente de presiones un esfuerzo máximo, igual al 80% del esfuerzo activo y en las arcillas en esfuerzo de γH-2qu, siendo qu la resistencia a la compresión simple de la arcilla; en el criterio de Peck el esfuerzo máximo es γHka, en donde ka=1-m(4c/γH), en donde m=1 si N £ 4 y m<1 si N>4, en donde N=( γH+q)/c

5.5 Dimensionamiento de muros

Durante el proceso de diseño estructural, en el inicio debe proponerse una sección transversal de los muros de retención (muros de gravedad), y partiendo del análisis de acciones que intervienen en el mismo, se acepta o se modifica la mencionada sección, a esto se le conoce como dimensionamiento del muro de retención, es por eso que existen criterios que nos aproximan a proponer secciones más coherentes como el que se presenta a continuación:

El dimensionamiento de un muro de retención básicamente se realiza para resistir las acciones que pueden provocar: volteo, desplazamiento y esfuerzos excesivos en la base.


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UNIDAD 6 ESTABILIDAD DE TALUDES. 6.1 Tipos y causas de fallas en taludes

A una superficie de terreno inclinado se le llama talud, pueden ser producto de cortes o terraplenes para diferentes obras, como pueden ser, presas de tierra, vías terrestres, plataformas industriales, puertos, etc.; también pueden tener un origen natural, y en este caso se les conoce como laderas. En los taludes por ser inclinados, la fuerza de gravedad juega un factor importante en su estabilidad, porque existe una componente sobre la masa del suelo que induce a que éste se deslice sobre una superficie de falla cuando se supera la resistencia al corte. Los tipos de fallas en taludes son muy variados, en laderas se encuentran: fallas por deslizamiento superficial, que se deben a fenómenos cerca de la superficie por la falta de presión normal confinante con desplazamientos muy lentos semejantes a un flujo viscoso; fallas por erosión provocadas por agentes erosivos como lo son el viento y el agua; Fallas por licuación cuando la presencia de agua y un movimiento vibratorio reducen la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, prácticamente a cero. Sin embargo una de las fallas más preocupantes en los diferentes tipos de taludes es la falla por movimiento del cuerpo del talud o deslizamiento de tierras, dividiéndose en: fallas por rotación y fallas por traslación, las primeras se suceden a través de una superficie de falla curva y la segundas a través de un plano débil ligeramente inclinado en el cuerpo del talud o en la cimentación. Las fallas de talud de deslizamiento de tierras por rotación se consideran prácticamente circularmente cilíndrica y se pueden clasificar como: falla de pie de talud, falla superficial y falla de base o profunda. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL

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6.2 Métodos de análisis de fallas de taludes.


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MECANICA DE SUELOS APLICADA Los métodos de análisis para las fallas de talud de deslizamiento de tierras, básicamente consisten en determinar una superficie de falla en la cual puede ocurrir un desplazamiento de la masa del suelo (como un cuerpo rígido), y se comparan la acciones actuantes sobre esta superficie contra la resistencia cortante del suelo en la misma, al coeficiente de las acciones actuantes y la resistencia al cortante se le conoce como factor de seguridad, el cual debe ser mayor de la unidad, en la práctica se considera un talud estable con factores de seguridad mayores o iguales a 1.5, sin embargo esto dependerá de cada caso especifico en función de la importancia de la obra y el grado de incertidumbre del diseño.

En los taludes de arenas (puramente friccionante), la estabilidad se logra con que el ángulo de talud ( α) sea menor que el ángulo de fricción interna ( ϕ), considerando un “factor de seguridad”.

Método sueco – Casagrande

Este método recibe su nombre por los primeros estudios que hizo el Ingeniero Sueco Petterson sobre los análisis de estabilidad de taludes en los deslizamientos del puerto de Gotemburgo al suroeste de Suecia, en el cual se considera que la superficie de falla es de tipo cilíndrica, aplicado a suelos de tipo puramente cohesivo, A. Casgrande propone el siguiente procedimiento:


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Método del Círculo de fricción

Los doctores Gilboy y A. Casagrande, desarrollaron un método para el análisis de la estabilidad de taludes en fallas de rotación de suelos homogeneos con cohesión y fricción, conocido como método del Círculo de fricción o Círculo ϕ, este método consiste en determinar el estado de equilibrio de un polígono de fuerzas en donde los vectores representan: el peso propio de la masa de suelo contenida en el circulo de falla, la reacción del suelo considerando la fricción y la cohesión del suelo.


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El vector W , corresponde al peso de la masa de suelo delimitada por la superficie, el talud y el plano de falla circular. Este peso se calcula determinando el área de influencia y multiplicándola por el peso especifico del suelo. La línea de acción del vector W es vertical por los efectos de la gravedad. El vector C, corresponde a la fuerza cohesiva y es la cohesión necesaria c n para lograr el equilibrio estático, multiplicada por la cuerda L´ de la circunferencia. Fallas por traslación

Las fallar por traslación de una masa de tierra que forma parte de un talud ocurre cuando a poca profundidad existe un estrato de baja resistencia, prácticamente paralelo a la superficie del terreno. Este tipo de fallas se puede analizar dividiendo la masa de suelo:


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La fuerza actuante FA, puede ser determinada como el empuje activo a E

Las fuerzas resistentes FR pueden ser determinadas como el empuje pasivo p E más la fuerza F que representa la resistencia al esfuerzo cortante de estrato de baja resistencia. Los empujes activo y pasivo, se determinan por alguno de los métodos mencionados en el capitulo anterior (Rankine o Coulomb), y la fuerza F , multiplicando el esfuerzo cortante s = c +σ ′tanϕ , por la longitud L.

Por lo anterior podemos determinar el factor de seguridad de un talud por traslación.

6.3 Análisis de círculos críticos

Uno de los problemas que se presentan en los métodos anteriormente descritos, es el conocer en un talud, cual es la superficie de falla con el menor factor de seguridad, con lo que se conocería el grado de estabilidad. En taludes de material cohesivo homogéneo en el cuerpo y en su cimentación, se han realizado estudios para determinar sus círculos críticos, un estudio establece que el ángulo de inclinación del talud con la horizontal, marca una frontera en los 53º, que establece:


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Para encontrar un círculo crítico es preciso buscar la superficie de falla que dé el factor de seguridad mínimo. Considérense los siguientes análisis: Primero, si el centro de la circunferencia se mueve sobre una trayectoria horizontal: El arco de las superficies de falla desplazándose horizontal el centro de la circunferencia no cambia, por lo tanto el momento resistente MR no cambia, por lo que el factor de seguridad FS será mínimo, cuando el momento actuante MA sea máximo. M 3+ M 4 MA=M 1+M 2+


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Por lo anterior el círculo crítico que se tiene producto del mover en forma horizontal el centro de un circulo de falla, está ubicado cuando el centro O, se encuentra en la vertical del centro del talud. Segundo, si se coloca el centro de la circunferencia que representa la superficie de falla en el centro del talud, el factor de seguridad mínimo se presenta cuando el radio tiende a infinito, pero es preciso encontrar el ángulo central de este factor de seguridad mínimo.

6. 4 corrección de fallas en taludes

Prevención

y

Con la finalidad de mejorar la estabilidad de los taludes desde el punto de vista de prevención y corrección de fallas de taludes, se pueden establecer las siguientes recomendaciones. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL

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Cimentaciones Superficiales y Profundas

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