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CAPÍTULO 4 Parámetros geotécnicos 4.1 Resistencia al esfuerzo esfuerzo cortante en arcillas Se define como resistencia al corte al valor máximo o límite de la resistencia al corte, que se puede inducir dentro de su masa antes de que ceda. Bajo ciertas condiciones, la flexibilidad conducirá a la formación de una superficie de deslizamiento por corte sobre la cual puede tener lugar una cantidad apreciable de deslizamiento. Las rocas y los suelos al fallar al corte se comportan de acuerdo a las teorías tradicionales de fricción y cohesión. cohesión. Inicialmente se estudian estudian dos componentes. componentes. 1. La componente normal N, perpendicular a la superficie de deslizamiento y, 2. La componente tangencial T, paralela a la misma. En el momento en que se inicia el deslizamiento la relación T/N habrá llegado a un valor límite máximo que recibe el nombre de coeficiente de fricción µ como se muestra en las figuras 4.1 y 4.2 (Whitlow, 1998). µ =
T N
Fig. 4.1 Modelo de fricción.
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T màx.
T = µ N = N Tan ϕ
ϕ
N Fig. 4.2 Angulo de fricción interna
El valor límite del esfuerzo cortante está influido tanto por la magnitud como por la velocidad de deformación, así como por la historia de esfuerzos del suelo. En la figura 4.3, gráfico de esfuerzo cortante/deformación unitaria, se puede definir al valor máximo de esfuerzo cortante como el punto de flexibilidad el mismo que representa el valor límite que corresponde al valor del esfuerzo normal. Si el esfuerzo cortante continúa decreciendo hasta que se nivele de nuevo a un valor menor, se llama esfuerzo último. “El esfuerzo último representa la resistencia al cortante del material en su volumen crítico el mismo que en la mayor parte de los casos alcanzará el valor último a deformaciones unitarias entre 10 y 20%”.(Whitlow, 1998)
τ e t n a t r o c o z r e u f s E
0
σn τ
o o z r m i e x u f á Esfuerzo último s E m ε
= 20 %
τ
σn
Esfuerzo residual
ε
Deformaciones grandes
Fig. 4.3 Esfuerzo máximo, último y residual A deformaciones unitarias mucho mayores, por ejemplo en la de superficies activas de deslizamiento en suelos arcillosos, el esfuerzo cortante límite decrece aún más. Cuando los desplazamientos son mayores, su resistencia puede asumir valores tan bajos hasta el 10 % del esfuerzo máximo, al cual conocemos como esfuerzo residual. Coulomb enunció su teoría de resistencia al corte en la que establece una relación lineal entre la resistencia al cortante y la presión normal en el plano de falla.
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Según la ecuación generalizada de Coulomb: τ = c´ + ( σ - µ ) Tan φ´
(Para suelos saturados)
Donde: τ = Esfuerzo de resistencia al corte c´ = Cohesión o cementación efectiva σ = Esfuerzo normal total µ = Presión del agua intersticial o de poros φ ´ = Angulo de fricción interna del material
s
Envolvente curva
Envolvente recta + C ' S =
φ ' n a σ ' T
φ'
Angulo de Fricción interna
Círculo de Mohr
c'
σ3
σ1
σ'
Fig. 4.4 Envolvente de falla y círculo de Mohr Para analizar la ecuación de Coulomb se requiere definir los parámetros de cohesión y ángulo de fricción interna, que son propiedades intrínsecas del suelo. El agua es uno de los factores que reduce el valor de la resistencia del suelo que depende de las presiones internas o de poros, con lo cual el factor µ está restando al valor de la presión normal. Esta presión se la conoce como presión efectiva ( σ´). σ´ = σ -µ φ ´ = Angulo de fricción interna para presiones efectivas c´ = Cohesión o cementación para presiones efectivas
4.1.1 Definición de términos a) Angulo de Fricción: El ángulo de fricción es la representación matemática del coeficiente de rozamiento igual a Tan φ. Depende de varios factores como: tamaño y forma de las partículas, distribución de los tamaños de las partículas y de la densidad. b) Cohesión: La cohesión es una medida de la adherencia entre las partículas de suelo. c) Esfuerzo efectivo: En una masa de suelo saturada se analiza dos fases: el esqueleto de partículas y los poros entre partículas llenos de agua. Si se aplican esfuerzos a dicha masa, se producen esfuerzos en las partículas de suelo (esfuerzos efectivos) y en las partículas de agua (presión de poros o presión hidrostática).
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Los esfuerzos efectivos son los que controlan el comportamiento del suelo y no los esfuerzos totales. En casos prácticos el análisis con esfuerzos totales podría utilizarse en problemas de estabilidad a corto plazo y las presiones efectivas para analizar la estabilidad a largo plazo. Desde el punto de vista de la relación esfuerzo – deformación, en estabilidad de taludes se deben tener en cuenta dos tipos de resistencia:
1. Resistencia máxima o resistencia pico: Se define como la resistencia al corte máximo que puede llegar el material a alcanzar sin que falle previamente. En una gráfica esfuerzo deformación le corresponde al punto más alto de la misma. Para el análisis de estabilidad de taludes se asume que la resistencia pico se obtiene simultáneamente a lo largo de la superficie de falla, pero esto nos puede llevar a errores por cuanto no todas las partículas se deforman al mismo tiempo la misma medida ni menos tienen la misma resistencia. 2. Resistencia residual: Es la resistencia al corte que posee el material después de haber ocurrido la falla. 4.2 Medición de la resistencia al cortante Coulomb (1776) fue el primero en sugerir la ecuación que relaciona la resistencia al corte de un suelo con el esfuerzo de compresión aplicado. “Los parámetros de resistencia al corte c’ y φ‘, son valores correspondientes a la resistencia efectiva y son constantes para un suelo determinado siempre y cuando la relación de vacíos, la densidad y la presión de poros permanezca constante para diferentes valores del esfuerzo normal” (Jaime Suárez Días -1998). El objetivo de las prueba de resistencia al corte consiste en establecer valores empíricos de los parámetros de dicha resistencia, la misma que depende del grado de saturación y del tiempo. La resistencia de los materiales de un talud es muy importante para un análisis de estabilidad representativo de sus condiciones reales, además de los ensayos en situ. La resistencia al cortante de los suelos varía del grado de saturación y ésta varía con el tiempo Los parámetros de resistencia al corte que se obtienen dependen de varios factores, como por ejemplo la calidad de las muestras, el tamaño y el tipo de análisis y su grado de saturación. Los ensayos deben ser realizados con muestras de suelo inalterados, que sea representativo del material “in situ”, tomados con muestreadores delgados o cubos. Estas muestras deben ser obtenidas a profundidades correctas o de acuerdo a la superficie de falla. Los parámetros de resistencia al corte se determinan mediante los ensayos de laboratorio.
4.3 Ensayos de laboratorio Existen diversas pruebas de corte, tanto para el laboratorio como para aplicaciones in situ. Es esencial para obtener resultados confiables, que las muestras sean representativas de los materiales del lugar. Entre las pruebas a emplear tenemos:
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Pruebas en laboratorio • • •
Compresión triaxial Caja de corte directo. Consolidación
Pruebas in situ • • •
Caja de corte directo in situ Aparato de veleta de corte Penetración estándar
4.3.1 Toma de muestras. La toma de muestras se las realizó de acuerdo a las normas Ecuatorianas: INEN 686 1982 – 05 para muestras alteradas, e INEN 687 1982 – 05 para muestras inalteradas, por ser las más utilizadas en nuestro medio. De los sondeos se puede obtener dos tipos generales de muestras:
a)
Muestras alteradas. Norma INEN 686 1982 – 05
Estas muestras se definen como alteradas cuando no guarda las mismas condiciones que cuando se encontraba en el terreno de donde procede. Generalmente su muestreo se realiza según el fin que se persiga. Un procedimiento muy común, es el de obtener de una calicata a cielo abierto de 1.50 m. x 1.50 m. de área y de profundidad necesaria para la obtención de muestras representativas del suelo, tomados de su base o de las paredes de ella, o mediante perforación manual; estos materiales deben ser colocados en fundas plásticas con su correspondiente identificación para ser enviadas al laboratorio para realizar ensayos de clasificación.
b)
Muestras inalteradas. Norma INEN 687 1982 – 05
Son utilizadas para realizar ensayos de resistencia al corte y compresibilidad y para determinar las propiedades mecánicas de los suelos. Las muestras inalteradas se obtienen generalmente en forma manual en una calicata, o en un sondeo con tubos de pared delgada y ellos deben cumplir las siguientes condiciones: • No deben contener distorsión visible de la estratificación. • La longitud de la muestra recuperada no debe ser menor del 95% de la longitud muestreada. La distorsión anular del área de sección del muestreador debe ser menor del 15% del área total del muestreador, lo cual equivale a que la pared del muestreador debe ser lo más delgada posible. • El tamaño de las muestras debe ser de un ancho mayor o igual a seis veces el tamaño máximo de la partícula, pero generalmente, son menores de 200 mm. debido a que los bloques muy grandes son pesados para transportar sin riesgo de daño. En suelos residuales el tamaño de la muestra puede determinar el valor de la resistencia. • Para obtener resultados confiables, las muestras tienen que ser representativas de los materiales del lugar. • Debe tenerse mucho cuidado al obtener, empacar y transportar las muestras del sitio al laboratorio. • Las muestras deben ser obtenidas a una profundidad correcta, de acuerdo a las posibles superficies críticas de falla.
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4.3.2 Análisis granulométrico. Norma ASTM D422 00 Se define como la obtención de la gradación de las partículas de distintos tamaños presentes en una muestra de suelo. Se llama análisis mecánico y consiste en la determinación de los porcentajes de boleos, gravas, arenas y finos que hay en cierta masa de suelo. Este ensayo consiste en el tamizado por vía seca y húmeda. La fracción fina se la realiza por la vía húmeda mediante una serie de tamices cuya gradación es: tamices #4, #10, #20, #40, #60, #100, #200, y fondo. Seguidamente la fracción gruesa se la realiza por vía seca mediante una serie de tamices cuya gradación es; tamices 3 pulg., 2 pulg., 1 ½ pulg., 1 pulg., ¾ pulg., ½ pulg., 3/8 pulg., #4 y fondo. Este ensayo se te determina los coeficientes de uniformidad (Cu) y el coeficiente de curvatura (Cc), cuyos parámetros son extraídos de la grafica en papel semilogarítmico (abertura tamiz vs. % pasante). C u
D60 D10
C c
( D30 )2 D60 xD10
D10 = Tamaño máximo del 10% más pequeño de la muestra. D30 = Tamaño máximo del 30% más pequeño de la muestra. D60 = Tamaño máximo del 60% más pequeño de la muest ra.
4.3.3 Limites de Atterberg. Norma ASTM D 4318 00 Los límites de Atterberg son parámetros que ayudan a determinar la propiedad de plasticidad de un suelo. La plasticidad es una propiedad que presentan los suelos de poder deformarse, hasta cierto límite, sin romperse. Por medio de ellos se mide el comportamiento de los suelos en todas las épocas. Los límites de Atterberg son:
4.3.3.1 Límite Líquido (LL): Es el contenido de humedad que tiene el suelo al momento de pasar del estado líquido al estado plástico. El límite líquido se mide o calcula la humedad que tiene el suelo amasado cuando con 25 golpes ligeros contra una placa de goma de una vasija especial, se requiere para cerrar la ranura en el fondo una distancia de 12.7mm.
4.3.3.2 Limite Plástico (LP): Es el contenido de humedad que tiene el suelo al momento de pasar del estado plástico al semisólido. Se define como la humedad de suelo amasado cuando empieza a separarse y desmoronarse al enrollarse a mano para formar bastoncillos de 3mm de diámetro. 4.3.3.3 Índice de Plasticidad (Ip): Se define como la variación de los contenidos de humedad entre límite líquido y límite plástico. Matemáticamente se representa por: IP = LL – LP.
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4.3.4 Clasificación de suelos Un sistema de clasificación de suelos es el ordenamiento de los diferentes suelos en grupos que tienen propiedades diferentes. Existen dos sistemas de clasificación: • •
Método de clasificación de suelos según la AASHTO Sistema unificado de clasificación de suelos S.U.C.S.
4.3.4.1. Sistema de clasificación AASHTO Este sistema de clasificación se basa en la plasticidad de los suelos pues ellos brindan las principales características de los suelos y la granulometría. Estos valores sirven para la clasificar un suelo en dos grandes grupos: suelos granulares y suelos finos.
4.3.4.1.1 Suelos granulares Aquellos suelos que tienen 35% o menos de las partículas pasan a través de la malla N° 200. Dentro de estos forman los grupos A-1; A-2 Y A3 con sus respectivos subgrupos. 4.3.4.1.2 Suelos finos Estos suelos tienen más del 35% del material fino que pasa por el tamiz N° 200, pertenecen a este grupo A – 4; - 5; A – 6 y A – 7 y los subgrupos: A - 7 – 5 cuando IP <= LL – 30 A – 7 – 6 cuando IP >= LL – 30 4.3.4.1.3 Índice de grupo Este parámetro es usado para análisis de los grupos y subgrupos del suelo y esta dado por la ecuación: IG = (F – 35)(0.2 + 0.005x (LL - 40)) + 0.01(F – 15)(IP – 10) Donde: F = porcentaje que pasa la malla N° 200 LL = límite líquido IP = índice de plasticidad
4.3.4.2 Sistema unificado de clasificación de suelos S.U.C.S. Es un método rápido para identificar y agrupar a los suelos es favorito para el uso en geotecnia. Esta clasificación divide a los suelos en tres grandes grupos: - Suelos granulares - Suelos finos - Suelos de estructura orgánica o cienos
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4.3.4.2.1 Suelos granulares : A este grupo pertenecen los suelos de grano grueso, aquellos que tienen menos de un 50% pasan por el tamiz N° 200. Gravas (G): si más del 50% de la fracción gruesa se retiene en la malla # 4 Dentro de este grupo tenemos: GW; GP; GM; GC Arenas (S): Más del 50% de la fracción gruesa pasa por el tamiz N° 4 Dentro de este grupo están: SW; SP; SM; SC. Otros símbolos utilizados: W = bien graduado P= pobremente graduado
4.3.4.2.2 Suelos finos Son suelo de grano fino limoso, arcilloso, suelos de partículas finas que más de 50% pasa por el tamiz N° 200. Dentro de este grupo tenemos: CL; ML; OL; CH; MH; OH Otros símbolos utilizados: L = baja plasticidad (LL < 50) H = alta plasticidad ( LL > 50)
4.3. 5 Ensayo de compresión Triaxial Las pruebas de compresión triaxial pueden efectuarse en arcillas y arenas, sirve para determinar las características esfuerzo deformación y de resistencia de los suelos. Los ensayos se realizaron en el laboratorio Universidad Técnica Particular de Loja Fotografía 4.1 tomada en los laboratorios de la Universidad Técnica Particular de Loja
Fotografía 4.1 Equipo del Ensayo Triaxial. Se ensayan muestras cilíndricas dentro de una membrana delgada de caucho, colocadas dentro de una celda triaxial con dos tapas rígidas y pistones arriba y debajo de la muestra. La celda se llena de un fluido especial, se aplica a una presión determinada sobre el fluido ( σ3),
45
la cual se transmite por esta a la muestra (Fig. 4.5), (Suárez, 1998). Deslizamientos y estabilidad de Taludes en Zonas Tropicales. Capitulo 3. Página. 90 Los esfuerzos del cortante se aplican mediante fuerzas de compresión verticales accionadas por los pistones. La presión de poros dentro de la muestra puede medirse a través de un pequeño tubo o bureta en contacto con la muestra. Pero para cada presión de confinamiento se obtiene el esfuerzo desviador ( ∆σ) que se requiere para hacer fallar la muestra. El drenaje de la muestra se realiza a través de las piedras porosas, se puede medir así el cambio de volumen de agua. Alternativamente, si no se presenta drenaje, se puede medir la presión de poros.
Figura 4.5 Detalle de la celda para el ensayo triaxial Es adecuado para todos los tipos de suelo excepto arcillas muy sensitivas, permite diversos procedimientos. La prueba se lleva a cabo en un espécimen cilíndrico de suelo que tiene una relación altura/diámetro de 2:1; y los tamaños usuales son de 76 x 28 mm. y 100 x 50 mm. Generalmente existen tres formas de realizar el ensayo triaxial:
a)
Ensayo consolidado drenado (CD).
Se realiza lentamente para permitir el drenaje del agua dentro de la muestra, e impedir que se puedan generar presiones de poros (permanezca constante) debido a la facilidad de su ejecución, además son los más utilizados para el análisis de estabilidad de taludes. La velocidad de ensayo debe ser tal, que las fluctuaciones en la presión de poros sean despreciables y en cualquier caso no superiores al 5% de la presión efectiva de confinamiento.
46
b)
Ensayo consolidado no drenado (CU), con medición de presión de poros. Norma ASTM D 4767 02.
Se permite el drenaje durante la aplicación del esfuerzo de confinamiento colocándolo lentamente, pero no impide durante la aplicación del esfuerzo desviador. Deben realizarse a una velocidad que no exceda una deformación unitaria del 2 %/hora, con el objetivo de lograr una ecualización completa de la presión de poros a través de la muestra. Se emplea para simular el caso de desembalse rápido de una represa o la colocación rápida de un terraplén sobre un talud .
c)
Ensayo no consolidado- no drenado o ensayo rápido (UU). Norma ASTM D 2850 03a
No se permite el drenaje durante la aplicación de la presión de confinamiento y el esfuerzo desviador (Fig. 4.6). Este ensayo se utiliza para modelar el caso de un terraplén o una carga colocada muy rápidamente sobre un manto de arcilla saturada, de muy baja permeabilidad. Como conclusión, el ensayo consolidado drenado presenta ángulos de fricción mayores, mientras el ensayo no consolidado – no drenado presenta valores mínimos.
Fig. 4.6 Diagrama del ensayo triaxial.
4.3.5.1 Envolvente de falla El círculo de Mohr (Fig. 4.7), se utiliza para representar o describir la resistencia al cortante de los suelos, utilizando la envolvente de falla de Mohr – Coulomb lo cual equivale a que se ha alcanzado una combinación crítica de esfuerzos. En la práctica normal de ingeniería esta curva se define como una recta aproximada dentro de un rango seleccionado de esfuerzos. ( Jaime Suárez -1998). τ f = C ' + σ n' * tan φ
47
Figura 4.7 Circulo de Mohr y envolvente de falla de un ensayo triaxial
4.3.6 Ensayo de consolidación. Norma ASTM D – 2435 – 03. Debido a los asentamientos no previstos en suelos blandos y la compresibilidad de los estratos confinados de arcilla, se ha visto la necesidad de elaborar un método que permita estimar la magnitud y distribución de los asentamientos, si estos resultan ser excesivos se puede modificar la cimentación. Con el fin de establecer la relación entre la presión aplicada de un suelo y su reducción de volumen, y entre esta deformación y el tiempo necesario para que se verifique, se recurre en el laboratorio a la prueba de Consolidación unidimensional originalmente ideada por el Dr. Karl Von Terzaghi a quien se debe la teoría de la consolidación. La prueba consiste en aplicar carga a un espécimen de suelo confinado lateralmente, de tal manera que se deforme en una sola dirección. Para la ejecución de la prueba existen varios modelos de aparatos; sin embargo, uno de los más comunes es el diseñado por el Dr. Arthur Casagrande y conocido como Consolidómetro de anillo libre.
48
Fotografía 4.2 Equipo de Consolidación de Casagrande (Fotografía 4.2). Laboratorio de Universidad Técnica Particular de Loja. El aparato consta de un anillo rígido dentro del cual se coloca el espécimen de suelo que se protege en ambas caras circulares por medio de piedras porosas que permiten la salida de agua del espécimen al ser comprimido éste.
Fig. 4.8 Esquema de montaje y prueba del ensayo de consolidación
49
El conjunto se coloca dentro de un cilindro en el que se coloca agua para mantener el espécimen saturado (Fig. 4.8). La carga al espécimen se aplica mediante el sistema de placa, marco y colgador de pesas que se ve en la fotografía del consolidómetro mostrado. (www.fing.edu.uy/iet/áreas/geotécnica/cursos/mec _ suelos/teórico/consolidación _ 1.ppt [Consulta: 10 de enero de 2006]). Las deformaciones que experimenta el espécimen bajo una carga aplicada se registran en un deformímetro, y un cronómetro permite conocer el tiempo que transcurre para alcanzar la deformación producida por un incremento de carga (Fotografía 4.3, (tomada en los laboratorios de la Universidad Técnica Particular de Loja).
Fotografía 4.3 Lecturas en el deformímetro durante el ensayo
La carga se va aplicando en incrementos elegidos de tal manera que cada uno de ellos duplique el valor de la presión anterior. En el laboratorio son muy comunes las presiones de 0.125, 0.250, 0.500, 1, 2, 4 y 8 kg/cm2 aplicadas sucesivamente (Norma ASTM D2435). Para cada uno de los incrementos de presión se lleva un registro de la forma como progresa la deformación a través del tiempo, haciendo uso del deformímetro y del cronómetro.
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Fotografía 4.4 Pesas aplicadas en el ensayo de consolidación Con los resultados obtenidos se construye una gráfica en papel semilogarítmico (Fig. 4.9) (Crespo Villalaz Carlos (1985). “Mecánica de Suelos y Cimentaciones”. Página189) que permite conocer, entre otras cosas, el tiempo en el cual se ha alcanzado la consolidación completa del espécimen bajo el incremento de carga correspondiente. Este es un dato importante para saber cuándo se debe agregar el siguiente incremento de carga. La gráfica así obtenida (una gráfica para cada incremento) recibe el nombre de Curva de Consolidación y de acuerdo con Terzaghi la zona AB, de dicha curva representa el proceso de deformación del suelo gobernado por la expulsión de agua de los poros y que él llamó Consolidación Primaria. La zona BC corresponde a un proceso de deformación cuyo origen no es aún del todo conocido pero que se atribuye al reacomodo plástico de las partículas del suelo. Terzaghi llamó a esta parte del fenómeno Consolidación Secundaria. El punto B corresponde, teóricamente, al tiempo en el que la presión del agua de los poros (presión neutra) del espécimen se ha disipado casi completamente. En ese momento se considera que la presión total p aplicada está siendo soportada por las partículas del suelo y se verifica la ecuación: p = pi. Siendo p la presión total originada por la carga y pi la presión ínter-granular o efectiva soportada por las partículas. Se dice entonces que se ha logrado el 100% de consolidación primaria. Terminada la prueba de consolidación del espécimen bajo el último incremento de carga, se tendrá de cada prueba, una serie de valores de deformaciones finales, es decir, medidas al finalizar la consolidación bajo cada incremento de presión.
51
Fig. 4.9 Gráfica Tiempo Vs. Deformación La figura 4.10 muestra curvas de compresibilidad e - log σ representativas para los casos: a) una arcilla normalmente consolidada, y b) una arcilla preconsolidada. Del estudio de las características de las curvas de consolidación para diversas muestras de arcilla, se concluyó que la parte inicial curvada correspondiente al tramo de recomprensión se debe al proceso de preconsolidación, y que en la zona cercana al quiebre o transición de la curva de recompresión a la virgen se encuentra la presión de preconsolidación.
Fig. 4.10 Curva de compresibilidad para arcillas normalmente consolidadas y preconsolidadas Casagrande (1936) propuso un método empírico para obtener la presión de preconsolidación a partir de los resultados de un ensayo de consolidación representados en una curva e - log σ. La estimación del valor de dicha presión se obtiene según el procedimiento que se ilustra en la figura 4.11:
52
e D
h
T b t
σ'p
log σ'v
Fig. 4.11 Método de Casagrande para determinar el esfuerzo de preconsolidación 1. 2. 3. 4.
Localizar en la curva e - log σ, el punto T de mínimo radio de curvatura. Trazar por el punto T una línea horizontal h y una tangente a la curva t. Trazar la bisectriz b del ángulo formado por t y h. Trazar la porción de la línea recta de la curva e - log σ hacia atrás hasta cruzar con la bisectriz b obteniendo el punto D correspondiente al valor estimado de la máxima presión de preconsolidación ( σ's ó Pc).
Existen varias razones por las cuales la presión de preconsolidación, tal como se deduce del método de Casagrande, no es exacta y por las cuales la curva de consolidación no reproduce la curva real en el terreno. La razón más importante es la variación de esfuerzos y de estructura inherente a la toma de muestras, a su preparación y a los métodos de ensayo. La diferencia de temperatura entre el terreno y el laboratorio, así como los detalles operativos, pueden ser también importantes. Sin embargo, el método de Casagrande resulta muy útil siempre que se considere que el valor de la presión así determinado constituye únicamente una estimación. a) Índice de sobre consolidación (OCR) Una adecuada evaluación de la historia de las presiones in situ de un estrato de arcilla es necesaria para estimar las características de compresibilidad y resistencia de dicha arcilla. La historia de las presiones se refiere a la presión efectiva vertical existente in situ en relación con la máxima presión del estrato de arcilla en el pasado. Deben reconocerse dos condiciones diferentes de importancia práctica para un cierto estrato de arcilla: se dice que un estrato está normalmente consolidado (NC), si nunca han actuado en él presiones verticales efectivas mayores que las existentes en la actualidad, y por otra parte, un estrato preconsolidado (OCR) en alguna época de su historia estuvo sujeto a presiones verticales efectivas mayores que las actuales. La presión efectiva máxima a que estuvo sometido el estrato de arcilla se denomina presión de preconsolidación. La causa que ocasiona arcillas normalmente consolidadas y preconsolidadas es el proceso geológico en el cual se produce en primer lugar una sedimentación, por ejemplo en el fondo de un lago o un río, aumentando las presiones totales y efectivas y por la cual se generan las arcillas normalmente consolidadas.
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Si posteriormente por erosión se produce una remoción de los depósitos sedimentados, los estratos subyacentes se descargan convirtiéndose en arcillas preconsolidadas. Otras causas de cambio en las presiones que ocasionan arcillas preconsolidadas pueden ser el retiro de estructuras y el proceso de glaciación. El proceso se esquematiza en la figura 4.12.
Fig. 4.12 Proceso de formación de arcilla NC Y OCR “El grado de preconsolidación se mide por la relación de preconsolidación (en inglés OCR)”: http://carreras.frba.utn.edu.ar/civil/geotecnia ( Internet). OCR =
σ ' p σ 'VO
Donde: σ ' p = presión efectiva de preconsolidación. σ ' = presión efectiva actual en el estrato. VO
σ 'VO = z * γ + z w (γ sat - γ agua )
Donde: γ = peso específico de la masa de suelo a la profundidad z.
z = profundidad del estrato. zw = profundidad del estrato del suelo sumergido. γsat = peso específico saturado. γagua = peso específico del agua. Si OCR < 1 ⇒ Suelo Subconsolidado. Si OCR = 1 ⇒ Suelo Normalmente consolidado. Si OCR > 1 ⇒ Suelo Preconsolidado o Sobreconsolidado .
4.4 Determinación de los parámetros geotécnicos Para la obtención de los parámetros geotécnicos en el sitio del proyecto se obtuvieron muestras mediante la realización de tres calicatas a la profundidad de (3.00m a 3.5m), desde el nivel del suelo natural. Los niveles freáticos se presentan a la profundidad 3.0m y 3.5m para las calicatas N° 1 y N° 2. De las calicatas se extrajeron muestras para realizar los ensayos: clasificación de suelo, compresión triaxial y consolidación.
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Calicata 1: pie de talud. De los ensayos realizados de clasificación se obtuvo los siguientes resultados (Fig. 4.13), las hojas de cálculo se presentan en los anexos A-4 y A −5:
Suelo Orgánico
0.20m CL
Arcilla inorgánica de plasticidad media
1.00m SC - SM Arenas arcillosas - limosa
de color café claro.
2.00m Arenas arcillosas - limosa SC - SM de color café claro. 3.00m
Fig. 4.13 Perfil estratigráfico del suelo La figura 4.13 representa la calicata # 1, a nivel superficial se encuentra una capa de suelo vegetal de 30 cm. de espesor y bajo esta capa se presenta suelos granulares clasificado como arenas arcillosas – limosas. Para la obtención de los parámetros geotécnicos de resistencia al corte de los suelos para esta calicata se realizó el ensayo triaxial no consolidado no drenado (UU) (anexo A - 6), este ensayo nos permite obtener parámetros de resistencia al corte a nivel de esfuerzos totales. Los parámetros obtenidos son: • • • •
Angulo de fricción interna ( φ) = 10º Cohesión (c) = 0.35 Kg./cm2 = 34.34 KPa. Peso unitario del suelo ( γ) = 1.88 gr./cm3 = 18.44 KN/m3 Peso unitario saturado del suelo ( γs) = 2.11 gr./cm3 = 20.70 KN/m3
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Fotografía 4.5 Calicata 1: pie de talud. Calicata 2: media ladera del talud, margen derecha De los ensayos de clasificación realizados se obtuvo (Fig. 4.14), las hojas de cálculo se presentan en los anexos A −7 y A−8:
Suelo Orgánico
0.20m CL
Arcilla inorgánica de plasticidad media
1.00m SC - SM Arenas arcillosas - limosas
de color café claro.
2.00m Arenas arcillosas - limosas
SC - SM de color café claro.
3.00m
56
Fig. 4.14 Perfil estratigráfico del suelo
Fotografía 4.6 Calicata 2: media ladera del talud. Los materiales que afloran en la calicata 2 son: Una capa delgada de suelo fino orgánico de un espesor de 0.20m, bajo esta capa se presenta un suelo fino de arcilla inorgánica de plasticidad media hasta la profundidad de 1.0m, por debajo de estas capas afloran materiales granulares clasificado con la norma como arenas arcillosas y limosas (Fig. 4.14). Las muestras extraídas en esta calicata se presentan saturadas. Los parámetros obtenidos en el ensayo triaxial son: (Anexo A-8) •
Angulo de fricción interna ( φ) = 0º
•
Cohesión (c) = 0.30 Kg./cm2 = 29.43 KPa.
•
Peso unitario del suelo ( γ) = 1.85 gr./cm3 = 18.15 KN/m3.
•
Peso unitario saturado del suelo ( γs) = 2.18 gr./cm3 = 21.39 KN/m3.
El ensayo de consolidación solo se realizó en esta calicata, debido a las condiciones favorables que presentó el terreno para extracción de muestras. Se extrajeron muestras a 3.50 m, profundidad a la que las paredes del suelo tienden a unirse por acción del agua, se obtuvo los siguientes parámetros geotécnicos (Anexo A −10): • Preconsolidación. PC = 1.15 Kg./cm2 • Índice de Compresión. Cc = 0.1045 • Índice de Expansión. Ce = 0.0046 • Coeficiente de consolidación. Cv = 0.0054 cm./seg. • Coeficiente de permeabilidad. K = 0.007137
57
•
Índice de Consolidación.
OCR = 1.80 ⇒ Suelo sobreconsolidado
Calicata 3: corona del talud. De los ensayos de clasificación realizados se obtuvo los siguientes resultados (Fig. 4.15) (Anexo A-11):
Suelo Orgánico
0.20m OH
Limo orgánico de elevada compresibilidad
MH
Limos inorgánicos de elevada compresibilidad
MH
Limos inorgánicos de elevada compresibilidad
1.00m
2.00m
3.00m
Fig. 4.15 Perfil estratigráfico del suelo Los materiales que afloran en la calicata 3 son: una capa de suelo fino orgánico de un espesor de 0.20m, bajo esta capa se presenta un suelo fino clasificado como limo orgánico (OH) de elevada compresibilidad, por debajo de estas dos capas se presenta un limo inorgánico de elevada compresibilidad (MH). Los parámetros obtenidos en el ensayo triaxial son: (Anexo A −12) • • • •
Angulo de fricción interna ( φ) = 6º Cohesión (c) = 0.60 Kg./cm2 = 58.86 KPa. Peso unitario del suelo ( γ) = 1.24 gr/cm3 = 12.16 KN/m3. Peso unitario saturado del suelo ( γs) = 1.68 gr./cm3 = 16.48 KN/m3.
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Fotografía 4.7 Calicata 3: corona del talud.
