Mecanica de Suelos

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES – ANDES – FACULTAD DE INGENIERÍA

“Año del Centenario de Machu Picchu para el Mundo”


ESFUERZOS

–

MURO DE CONTENSIÓN Y CIMENTACIÓN

DEL SUELO PARA UNA LOSA DEPORTIVA

CURSO

: MECÁNICA DE SUELOS II

DOCENTE

: ING. Dionisio Milla Simón

INTEGRANTES

: Aquino Quiñones, Jhon Aguirre Madueño, Alejandro Castro Montes, Polh Huamán Mosquera, Raquel Luciano Travezaño, Rudy Paredes Mendoza, Augusto Párraga Matos, Julio Porras Sarmiento, Lesly Rodriguez Pariona, Jivan Rodriguez Pérez, Pamela Rojas Chanca, Khaterine

SEMESTRE

: 6xto “A”

TURNO

: Mañana

HUANCAYO – 2011 II

MECÁNICA DE SUELOS II

Ing. Dionisio Milla Simón

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TURNO: MAÑANA


DEDICATORIA: El presente trabajo lo dedicamos a nuestros padres por ser forjadores de nuestra educación como también al docente por impartir sus conocimientos.



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INTRODUCCIÓN Toda obra de ingeniería exige seguridad, funcionalidad y economía. Cuando se habla de seguridad en el caso específico de los suelos, se busca que el sistema que forman la cimentación y el suelo no genere un mecanismo de falla que ponga en peligro la estabilidad de la obra. Para llevar a cabo el análisis de la estabilidad de una estructura, desde el punto de vista de la ingeniería geotécnica, es necesario determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos involucrados en el mecanismo potencial de falla. Sin embargo, dicha determinación implica grandes retos para el ingeniero de mecánica de suelos, en virtud de las variables involucradas en el problema, tales como: tipo de suelo, grado de compacidad o consistencia, grado de saturación y anisotropía, entre otras. El grado de saturación, por ejemplo, ha permitido crear la “Mecánica de Suelos Tradicional” (para suelos 100% saturados) y la “Mecánica de suelos no saturados”.

Los muros de contención tienen como finalidad resistir las presiones laterales ó empuje producido por el material retenido detrás de ellos, su estabilidad la deben fundamentalmente al peso propio y al peso del material que está sobre su fundación. Los muros de contención se comportan básicamente como voladizos empotrados en su base. Designamos con el nombre de empuje, las acciones producidas por las masas que se consideran desprovistas de cohesión, como arenas, gravas, cemento, trigo, etc. En general los empujes son producidos por terrenos naturales, rellenos artificiales o materiales almacenados. La base sobre la que descansa todo el edificio o construcción es lo que se le llama cimientos. Rara vez estos son naturales. Lo más común es que tengan que construirse bajo tierra. La profundidad y la anchura de los mismos se determinan por cálculo, de acuerdo con las características del terreno, el material de que se construyen y la carga que han de sostener.



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OBJETIVOS 

OBJETIVO GENERAL

Es tener conocimientos conocimientos básicos para la realización de obras como futuros ingenieros y así asegurar la estabilidad de las obras para promover la utilización racional de los recursos. 

OBJETIVOS ESPECÌFICOS:

1. Conocer la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos involucrados en el mecanismo potencial de falla 2. Conocer la estabilidad del suelo cuando tienen diferencias de nivel. 3. Conocer parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al terreno



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MARCO TEÒRICO I.

RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE:

Toda obra de ingeniería exige seguridad, funcionalidad y economía. Cuando se habla de seguridad en el caso específico de los suelos, se busca que el sistema que forman la cimentación y el suelo no genere un mecanismo de falla que ponga en peligro la estabilidad de la obra. Para llevar a cabo el análisis de la estabilidad de una estructura, desde el punto de vista de la ingeniería geotécnica, es necesario determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos involucrados en el mecanismo potencial de falla. Sin embargo, dicha determinación implica grandes retos para el ingeniero de mecánica de suelos, en virtud de las variables involucradas en el problema, tales como: tipo de suelo, grado de compacidad o consistencia, grado de saturación y anisotropía, entre otras. El grado de saturación, por ejemplo, ha permitido crear la “Mecánica de Suelos Tradicional” (para suelos 100% saturados) y la “Mecánica de suelos no saturados”.

Esta resistencia del suelo determina factores como la estabilidad de un talud, la capacidad de carga admisible para una cimentación y el empuje de un suelo contra un muro de contención. Ecuación de falla de Coulomb (1776) Coulomb observó que si el empuje de un suelo contra un muro produce un desplazamiento desplazamiento en el muro, en el suelo retenido se forma un plano recto de deslizamiento. Él postuló que LA MÁXIMA RESISTENCIA AL CORTE, τf, en el plano de falla, está dada por: Donde:



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Esta es una relación empírica y se basa en la LEY DE FRICCIÓN DE AMONTON para el deslizamiento de dos superficies planas, con la inclusión de un término de cohesión c para incluir la Stiction propia del suelo arcilloso. En los materiales granulares, c = 0 y por lo tanto:

Puesto que la resistencia al cortante depende de los esfuerzos efectivos, en el suelo los análisis deben hacerse en esos términos, involucrando c’ y φ’, cuyos

valores se obtienen del ENSAYO DE CORTE DIRECTO: Aplicando al suelo una fuerza normal, se puede proceder a cizallarlo con una fuerza cortante. El movimiento vertical de la muestra se lee colocando un deformímetro en el bastidor superior. El molde no permite control de drenaje, que en el terreno pueden fallar en condiciones de humedad diversas (condición saturada no drenada, parcialmente drenadas o totalmente drenadas), para reproducir las condiciones de campo se programa la velocidad de aplicación de las cargas. En arenas, como el drenaje es libre, el ensayo se considera drenado. Para arcillas, la incertidumbre queda, por lo que se recurre al TRIAXIAL.



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CURVAS TÍPICAS EN ARENAS DENSA Y SUELTA (drenadas) (dre nadas)



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II.

MUROS DE CONTENCIÓN: CONTENCIÓN: Los muros de contención se utilizan para detener masas de tierra u otros materiales sueltos cuando las condiciones no permiten que estas masas asuman sus pendientes naturales. Estas condiciones se presentan cuando el ancho de una excavación, corte o terraplén está restringido por condiciones de propiedad, utilización de la estructura o economía. Por ejemplo, en la construcción de vías férreas o de carreteras, el ancho de servidumbre de la vía es fijo y el corte o terraplén debe estar contenido dentro de este ancho. De manera similar, los muros de los sótanos de edificios deben ubicarse dentro de los límites de la propiedad y contener el suelo alrededor del sótano.

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Tipos de muros de contención: Los principales tipos de muros de contención son: 

Muros de gravedad Son aquellos cuyo peso contrarresta el empuje del terreno. Dadas sus grandes dimensiones, prácticamente no sufre esfuerzos flectores, por lo que no suele armarse. Los muros de gravedad a su vez pueden clasificarse en: 

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Muros de hormigón en masa. Cuando es necesario, se arma el pie (punta y/o talón). Muros de mampostería seca. Se construyen mediante bloques de roca (tallados o no). Muros de escollera. Se construyen mediante bloques de roca de mayor tamaño que los de mampostería. Muros de gaviones. Son muros mucho más fiables y seguros que los de escollera ya que, con estos, se pueden realizar cálculos de estabilidad y, una vez montados, todo el muro funciona de forma monolítica. Muros prefabricados o de elementos prefabricados. Se pueden realizar mediante bloques de hormigón previamente fabricados.



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Muros aligerados. Aquellos en los que los bloques se aligeran (se hacen huecos) por diversos motivos (ahorro de material, reducción de peso...). Muros jardinera. Si los bloques huecos de un muro aligerado se disponen escalonadamente, y en ellos se introduce tierra y se siembra, se produce el muro jardinera, que resulta mucho más estético, y de menor impacto, ver rocalla. Muros seco. constituido por piedra de 8"@10" que van sobre puestos y amarrados entre si no lleva ningún tipo de mortero o concreto, conforme se va construyendo se va rellenando con piedras de lugar o cascajo de 3/4" de diámetro en caso que se utilice con drenar el agua.

Muros estructurales Son muros de hormigón fuertemente armados. Presentan ligeros movimientos de flexión y dado que el cuerpo trabaja como un voladizo vertical, su espesor requerido aumenta rápidamente rápidamente con el incremento de la altura del muro. Presentan un saliente o talón sobre el que se apoya parte del terreno, de manera que muro y terreno trabajan en conjunto. Siempre que sea posible, una extensión en el puntal o la punta con una dimensión entre un tercio y un cuarto del ancho de la base suministra una solución más económica. Tipos distintos de muros estructurales son los muros "en L", "en T". En algunos casos, los límites de la propiedad u otras restricciones obligan a colocar el muro en el borde delantero de la losa base, es decir, a omitir el puntal. Es en estas ocasiones cuando se utilizan los muros en L. Como se ha indicado, en ocasiones muros estructurales verticales de gran altura presentan excesivas flexiones. Para evitar este problema surge el 'muro con contrafuertes', en los que se colocan elementos estructurales (contrafuertes) en la parte interior del muro (donde se localizan las tierras). Suelen estar espaciados entre sí a distancias



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iguales o ligeramente mayores que la mitad de la altura del muro. También existen muros con contrafuertes en la parte exterior del mismo. En ocasiones, para aligerar el contrafuerte, se colocan elementos con un tirante (cable metálico) para que trabaje a tracción. Surgen así los 'muros atirantados' 

Muros de tierra armada y de suelo reforzado Los muros de tierra armada son mazacotes de terreno (grava) en los que se introducen armaduras metálicas con el fin de resistir los movimientos. Con ello se consigue que el material trabaje como un todo uno . La importancia de esta armadura consiste en brindarle cohesión al suelo, de modo de actuar disminuyendo el empuje de tierra que tiene que soportar el muro. La fase constructiva es muy importante, ya que se tiene que ir compactando por capas de pequeño espesor, para darle una mayor resistencia al suelo. Se le suelen colocar escamas (planchas de piedra u hormigón), sin fin estructural alguno, sino para evitar que se produzcan desprendimientos. Los muros de tierra armada pueden rematarse también con bloques de hormigón huecos, rellenos de tierra, y sembrados, creando muros jardinera.

Un 'muro de suelo reforzado' es un muro de tierra armada en que se sustituyen las armaduras metálicas, por geomalla. Es una solución más barata. Análogamente a los muros de tierra armada, se pueden recubrir con escamas, o rematarlos con muros jardinera. Aunque existe otra alternativa, que consiste en colocar un geotextil sobre la ladera del muro, y cubrirlo de tierra y semillas. Surge así un 'muro vegetalizado .



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Algunos casos prácticos en que se necesitan muros de contención son los siguientes:



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Son muchos los factores que intervienen en el diseño de un muro de contención, pero el principal es el empuje del relleno. Para determinar el valor de este empuje existen varias teorías más o menos aceptadas hoy en día, con las cuales el estudiante debe familiarizarse para comprender hasta donde se puede ir en las aproximaciones. La literatura existente es muy amplia e incluye todos los textos de mecánica de suelos por su aplicación directa a los problemas estructurales recomendamos especialmente las obras de “Foundation Engineering” de Peck

Huntington. Las teorías más comúnmente usadas son las C.A. Coulomb (Francia 1776), y W.J.M. Rankine (Inglaterra 1857), las cuales pueden sintetizarse diciendo que el empuje activo de tierra es una fricción del empuje hidrostático debido a la misma altura de agua, la cuantía de la fricción f ricción depende del ángulo formado por la tierra del relleno con el horizontal trazada en el extremo superior del muro (d) y del ángulo de fricción interna (Æ) del mismo material de relleno, (el empuje de tierra actúa paralelo al relleno, o sea formando el mismo ángulo d con la horizontal ); para una altura h de agua, el empuje hidrostático vale Hanson y Thormburn y “Earth Pressures and Retaining Walls” de W .C.



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Siendo g, el peso unitario del relleno y ka un factor menor que la unidad cuya expresión varía según la teoría que se esté aplicando; para materiales granulares puros, es decir, sin ninguna cohesión, las teorías de Coulomb y Rankine coinciden y la expresión de ka según Rankine es:

Los ángulos de fricción interna de los materiales generalmente usados como relleno dependen especialmente de su grado de compactación y de su contenido de humedad; así por ejemplo, el f de una arena bien gradada puede variar de 460 a 340 dependiendo de si está bien compactada o suelta; por otra parte es bien difícil garantizar que el relleno detrás de un muro de contención consistirá siempre de un material bien definido o que su contenido de humedad será constante; generalmente el relleno consistirá de un conglomerado que contiene especialmente arenas de diferentes tamaños, gravas, limos y aún algo de arcilla; en estas condiciones y a falta de datos más exactos, deben tomarse los siguientes valores para el ángulo de fricción interna f para efectos de diseño: Carbón piedra 500 Conglomerado 330 a 350 Arena con buen drenaje 300 Arena con drenaje pobre 350



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Quedaría afectada por la sobrecarga una mayor porción del muro; nosotros nos inclinamos más bien hacia al ángulo de 450 en vista de la casi unanimidad de criterios de una fuerza a través de terrenos relativamente compactos.

Es obvio que en estos casos resulta más fácil para el diseño tratar cada empuje parcial por separado, en lugar de considerar de una vez el empuje total del conjunto. Cuando la sobrecarga no es uniformemente repartida, como en el caso de una carretera, la carga real puede convertirse en una uniforme equivalente sin mayor error, puesto que el efecto de la sobrecarga es generalmente pequeño en relación con el empuje del terreno. Hasta ahora hemos considerado el efecto de la tierra sobre el muro de contención, efecto que para desarrollares planamente necesita o supone el deslizamiento del muro con la cual el plano de rotura y el empuje quedan fijados; de no efectuarse ese desplazamiento, o sea si el muro se hace demasiado rígido, los empujes activos que se crean pueden llegar a ser bastante más altos que los dados por la expresión de Rankine, según se ha podido comprobar experimentalmente.



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Además de este empuje activo, que es ele efecto de la tierra sobre el muro, hay lugar a veces para considerar el llamado empuje pasivo que es el efecto del muro sobre la tierra; tal el caso del esquema anterior: el muro al desplazarse en una cantidad a comprime o empuja la tierra que se halla a su izquierda; esta tierra opone resistencia a esta compresión que es precisamente el empuje pasivo Ep; nótese que el empuje pasivo es de sentido contrario al empuje activo, o sea que se oponen y la expresión del empuje pasivo, según Rankine, es:



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Anotamos que la fórmula de Coulomb se aplica únicamente a muros cuyos parámetros interiores son superficiales planas, como es el caso normal en muros de gravedad; para muros en voladizo la fórmula f órmula de Rankine resultados más correctos. Obsérvese que tanto la fórmula de Rankine como la de Coulomb hacen depender los empujes del ángulo de fricción interna del material de relleno; esta es una propiedad que puede establecerse fácilmente mediante ensayos de laboratorio para materiales granulares tales como la arena seca; los materiales cohesivos como las arcillas, por otra parte, no tienen una propiedad como el ángulo de fricción interna y por tanto para esos materiales las fórmulas contempladas no son aplicables. Los materiales cohesivos, cuando están secos, se comportan con frecuencia como si fuesen sólidos y por tanto puede realizarse en ellos cortes casi verticales sin necesidad de estructuras de contención, pero esos mismos materiales se desmoronan fácilmente al absorber humedad y pueden llega a ejerce empujes como la presión hidrostática; tienen además el problema adicional de los cambios volumétricos, lo cual relleno. Las arenas, que si son materiales adecuados para su utilización como relleno, pocas veces se encuentran en estado puro y con frecuencia vienen mezcladas con algo de limo o arcilla, lo cual cambia sus propiedades y hace menos exacta la aplicación de las fórmulas. f órmulas.



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La adición de alguna arcilla a una arena pura reduce evidentemente el empuje del conjunto debido a la pequeña cohesión de que gozará ese conjunto; como este es el estado normal de la mayoría de los l os materiales de relleno, es costumbre aumentar algo el ángulo de fricción interna de la arena pura (a 300) para la aplicación de las fórmulas de Rankine o Coulomb, con lo cual se tiene en cuenta la pequeña cohesión. Esta práctica puede ser peligrosa si el relleno no está provisto de un buen drenaje, pues el almacenamiento de humedad puede producir cambios volumétricos en el conjunto cuyas consecuencias son empujes mucho mayores que los calculados. La imposibilidad para garantizar la uniformidad de las propiedades de u material de relleno dado en cualquier época y la falta de información previa sobre los posibles cambios, son motivos adicionales que el calculista debe tener muy en cuenta y proceder en consecuencia con la debida cautela al diseñar un numero de contención. III.

CIMENTACIONES:

El cimiento es aquella parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al terreno. Debido a que la resistencia y rigidez del terreno suelen ser inferiores a las de la estructura, la cimentación posee un área en planta muy superior a la suma de las áreas de todos los pilares y muros portantes (estructura vertical). Los cimientos por tanto serán por lo general piezas de volumen considerable con respecto al volumen de las piezas de la estructura. Se construyen en hormigón armado y en general se empleará hormigón de calidad relativamente baja ya que no resulta económicamente interesante el empleo de hormigones de resistencias mayores. Para poder realizar una buena cimentación es necesario un conocimiento previo del terreno en el que se va a construir la estructura. Aquí vamos a realizar una pequeña introducción sobre el suelo y la roca. Los términos roca y suelo, tal como se usan en la ingeniería civil, implican una clara distinción entre dos clases de materiales de cimentación. Se dice que roca es un agregado natural de granos minerales unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesión. Por otra parte, se considera que suelo es un agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden separarse por medios mecánicos comunes, tales como la agitación en el agua. El ingeniero para preparar un proyecto debe saber cuáles son los materiales que están presentes y qué propiedades poseen, este conocimiento se adquiere, MECÁNICA DE SUELOS II


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parcialmente, consultando libros, pero sobre todo, extrayendo, examinando y tal vez probando muestras que considere representativas de los materiales. En la ingeniería de las cimentaciones, la experiencia es un factor inapreciable. La correcta clasificación de los materiales del subsuelo es un paso importante para cualquier trabajo de cimentación, porque proporciona los primeros datos sobre las experiencias que puedan anticiparse durante y después de la construcción. El detalle con el que se describen, prueban y valoran las muestras, depende del tipo de estructura que se va a construir, de consideraciones económicas, de la naturaleza de los suelos, y en cierto grado del método con el que se hace el muestreo. Las muestras deben describirse primero sobre la base de una inspección ocular, y de ciertas pruebas sencillas que pueden ejecutarse fácilmente tanto en el campo como en el laboratorio clasificando el material en uno de los grupos principales. Las estructuras de cimentación son, con frecuencia, f recuencia, elementos tridimensionales, en ocasiones elementos lineales, por ejemplo las vigas de cimentación.

Tipo de cimentaciones y modo de construcción construcción

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Las cimentaciones de la mayor parte de las estructuras se desplantan debajo de la superficie del terreno. Por lo tanto, no pueden construirse hasta que se ha excavado el suelo o roca que está por encima del nivel de las cimentaciones. Ordinariamente el ingeniero especialista en cimentaciones no se encarga de elegir el equipo de excavación en un lugar dado, ni de diseñar el apuntalamiento, si se necesita. Sin embargo, generalmente es obligación del ingeniero aprobar o recusar el procedimiento de construcción propuesto por el constructor y revisar el proyecto del apuntalamiento. apuntalamiento. En los suelos permeables para hacer excavaciones por debajo del agua freática, usualmente se requiere desaguar el lugar antes o durante la construcción. 

Normativa Respecto al dibujo de construcción no existe una normativa clara y aplicable siendo recomendable el uso de la NTE, en este caso la específica de cimentaciones incluyendo éstas aparte de los parámetros



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de cálculo de las mismas, también detalles para su representación en plano. Para detalles específicos lo más usual es acudir a libros específicos sobre construcción en los que estarán representados detalles generales como los que se incluyen en este trabajo. 

Cimentaciones superficiales Cuando a nivel de la zona inferior de la estructura, el terreno presenta características adecuadas desde los puntos de vista técnico y económico para cimentar sobre él, la cimentación se denominará superficial o directa . Las cimentaciones superficiales estarán constituidas por zapatas , vigas y placas , o por combinaciones de estos elementos. Estas características del terreno son fundamentales a la hora de la elección de la cimentación. La influencia del tipo de edificio a ejecutar también es importante en la selección de la cimentación. Las características más importantes de los edificios a la hora de la cimentación pueden ser: a) Existencia de sótanos a) Edificios ligeros de poca altura: se usará cimentación superficial b) Edificios de poca altura: losas, pilotaje c) Edificios de gran altura: Cimentaciones profundas o losas de ci mentación

Antes de la selección de la cimentación, y como parte previa a la redacción del proyecto, debe realizarse un estudio geotécnico del terreno que en sus conclusiones debe recomendar los tipos de cimentaciones más adecuados. Como características principales una zapata debe cumplir: a) Conducción de las cargas al terreno a través de los elementos estructurales. b) Reparto uniforme de las cargas para que no se superen las tensiones superficiales del terreno. c) Deben limitarse los asientos de la estructura a los máximos admisibles por ésta, y evitar asimismo los asientos diferenciales. d) Las cimentaciones deben quedar ocultas.



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En el caso de edificios industriales el modo de selección de las cimentaciones no difiere del resto de las edificaciones, siendo incluso en muchos casos un factor decisivo a la hora de decidir el emplazamiento de la industria, pues un coste muy elevado por las malas características del terreno encarecería demasiado el proyecto. El tipo de cimentación más usado en proyectos industriales es la zapata en sus diversas variantes. No se desestimará en caso necesario el uso de losas e incluso, en casos muy desfavorables del terreno, cimentaciones profundas como pilotes.

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Cimentaciones profundas Estas cimentaciones se usarán cuando el terreno firme no se encuentra en la superficie sino a mayor profundidad. La cimentación profunda más usada es la cimentación por pilotes.

ENSAYO DE CORTE DIRECTO REALIZADO DE LA CALICATA DE PILCOMAYO



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CONCLUSIONES 

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Obtuvimos conocimientos básicos para la realización de obras sobre la utilización racional de los recursos. Calculamos la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos involucrados en el mecanismo potencial de falla Conocimos la estabilidad del suelo cuando tienen diferencias de nivel. Calculamos parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al terreno



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RECOMENDACIONES

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Tener más facilidades para la utilización utili zación del equipo para hacer el ensayo de Corte directo Realizar varios ensayos y por cada capa del suelo para así poder trabajar mejor. Realizar los ensayos de una eficiente y eficaz para no tener problemas en la ejecución de obras q realizaremos en el futuro



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ANEXOS



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Mecanica de Suelos

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