U B R A SEXTO SIMPOSIO NACIONAL SOBRE INGENIERIA ESTRUCTURAL EN LA GUANAJUATO, GTO., 2 Y 3 DE OCTUBRE 2009

Transcripción

1 U B R A DISEÑO DE CIMENTACIONES PARA CONJUNTOS HABITACIONALES EN SUELOS MALOS SEXTO SIMPOSIO NACIONAL SOBRE INGENIERIA ESTRUCTURAL EN LA GUANAJUATO, GTO., 2 Y 3 DE OCTUBRE 2009 Dr. en Ing. Mauricio Barrea Bucio mbarrera_bucio@yahoo.com.mx

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13 Cambio de volumen La mecánica del suelo se desarrolló principalmente para estudiar los suelos s, quedando los suelos no s relegados a un segundo plano. Gran parte de las formaciones geológicas y las estructuras de tierra construidas por el hombre, están constituidas por materiales no s, existiendo incluso zonas en las que la condición de saturación no es ni siquiera previsible.

14 Suelos problemáticos Cambio de volumen Los suelos llamados problemáticos, tales como los suelos residuales, los suelos colapsables y los suelos expansivos, son ejemplos de materiales potencialmente no s.

15 Estos suelos están sujetos a cambios de humedaddeorigennaturaloartificial,causando importantes modificaciones en su capacidad portante (resistencia y deformabilidad). Cambio de volumen

16 Origen de los suelos no s Suelos naturales Sedimentarios Medio acuoso: marino, lacustre Medio Aéreo: Arenas eólicas, loess Residueales Cambio de volumen Suelos Artificiales Rellenos no compactados Suelos compactados

17 Fases de un suelo Cambio de volumen Fase de aire Fase de agua Fase sólida Suelo no Partículas sólidas adsorbida Fase sólida Suelo Agua libre vapor Fase gaseosa Aire libre disuelto Fase líquida Sales Disueltas

18 Estructura de los suelos (Alonso et al., 1987) a) Microestructura matricial con algunas partículas de arena b) Microestructura de agregados de partículas elementales c) Microestructura de arena con matriz de arena y conectores de arcilla Cambio de volumen d) Partícula elemental en configuración paralela

19 Microscopia electrónica de barrido ambiental (ESEM) (M.Barrera, 2002) Particulas de limo Cambio de volumen Agregados 15 μm 45 μm Suelo compactado en condiciones isótropas: ρ d =1.63g/cm 3 ;s o = 0.8 MPa S ro = 48%; w o = 11% Aumento x 3000, agregados de partículas de arcilla

20 Fenómeno de superficie Fenómeno de superficie tiene origen en las zonas de contacto, donde actuarán fuerzas propias de cada fase, y también de fases diferentes. Cambio de volumen Esfuerzo de compresión sobre las paredes r 2 partícula Ec. Laplace 1 1 ua uw = Ts r 1 r 2 T s u a u w T s r 1 io Tubo de vidr menisco

21 Variables del estado de esfuerzos Para suelos s (principio de los esfuerzos efectivos de Terzaghi) : Cambio de volumen Donde σ = σ u δ ij ij w ij σ ij : presión efectiva σ ij : presión total u w : presión intersticial de agua δ ij : delta de Kronecker a) La presión de poro del agua actúe en el agua y en el sólido en cada dirección. b) Únicamente cambios en el esfuerzo efectivo explican los cambios en el estado del suelo.

22 Estado de esfuerzos Para suelos no s (Fredlund, 1979): ( ) σ u δ y u u δ ij a ij a w ij Cambio de volumen Donde σ ij : presión total u a : presión intersticial de aire u w : presión intersticial de agua δ ij : delta de Kronecker (u a u w ) : succión matricial

23 Modelo de comportamiento elastoplástico (BBM, Alonso et al., 1990) Succ ción, (u ) a -u w MPa Superficie de fluencia (SI) s σv0 σ 0 v0 LC : = c c Zona elástica σ v σ v σ* v0 superficie de fluencia LC (Loading-Collapse) Carga vertical neta, σ v -u a (MPa) Condiciones elásticas d σ vn ds de = κ ; de= κ s σ s vn Condiciones elastoplásticas dσ ds de = λ s ; de = λs s>0 σ s vn ( ) ( Δ ) vn ( s) λ( ) ( 1 ) exp( βs) λ = 0 r + r

24 Esquema de una célula edométrica con control de succión (Barrera, 2002) Filtro poroso σ v Disco cerámico AVEA (1.5 MPa) u a eliminación de burbujas de aire u w

25 Piezas mecánicas de la célula edométrica (Barrera, 2002) Combinaciones de pedestales: a) Disco cerámico AVEA y piedra porosa b) Disco cerámico AVEA a) b) piedra porosa Piezas principales de acero inoxidable

26 Célula edométrica y equipos complementarios (Barrera, 2002) Medidor de volumen de agua Interfase σ v u a uw IBA

27 Trayectoria de esfuerzos Programa experimental γ 3 d (kn/m ) Trayectoria de esfuerzos 19 1 S r = 0.8 (σ m -u a ) MPa 0.6 MPa 1.2 MPa MPa 0.5. A B Humedad, w (%) ψ=4 (u a -u w ) MPa B 0.7 J C LC inicial 0.1 E G LC (C D) σ v01 σ v02 F LC (E F) D H I (u a -u w ) MPa σ v -u a (MPa) LC final a b j B Ensayo A J Ensayo B c d e g h C D E G σ v -u a (MPa) H F f I i

28 Evolución temporal en una trayectoria de humedecimiento (s = 0.8 a 0.05 MPa)

29 Célula triaxial con control de succión 1/2 a) Célula de carga. b) LVDT (desplazamiento vertical del láser). c) Presión de confinamiento d) Motor de desplazamiento ver-tical d c a e b de los sensores láser e) Presión de agua (u w )ypresiónde aire (u a ). Cabezal. f) Presión de agua (u w ) ypresión de aire (u a ). Pedestal. f g) Presión de la tensión axial. AVEA Disco poroso g muestra LVDT sensores láser Discos cerámicos AVEA y anillos porosos

30 Célula triaxial con control de succión 2/2 u a u w LVDT (ε a ) Láser (ε r ) Muestra parcialmente montada en la célula

31 Programa experimental 2/2 A : estado sobreconsolidado inducido por un proceso hidráulico (colapso) B : estado normalmente consolidado C : estado sobreconsolidado inducido por un proceso mecánico (carga) D : estado sobreconsolidado inducido por un proceso hidráulico (retracción) C4 a) q (MPa Test-At A Test-B A s (MPa) A B3 1.2 A1 B1 A2 0.0 A4 0.3 B p (M (MPa) q (MPa a) Test-C Test-D C s (MPa) 10 D4 C3 100 D3 C1 1.5 D2 0.9 Ψ = 87 MPa 1.2 D p (MPa)

32 CONTENIDO CONTENIDO O Los suelos no s Comportamiento volumétrico Fenómeno de EXPANSION Fenómeno de COLAPSO Ejemplos de la Literatura de ensayos de colapso con y sin control de la succión

33 Principales características de los suelos no s Los fenómenos más característicos del suelo no se relacionan con sus deformaciones volumétricas (ε v ) al modificar su grado de saturación (S r ): Cambio de volumen Deformaciones negativas, en cuyo caso se produce una EXPANSION. Deformaciones positivas, en cuyo caso se produce un COLAPSO.

34 Fenómeno de expansión Fenómeno de Expansión Fenómeno de expansión: se produce cuando un se humedece absorbiendo agua entre sus partículas aumentando de volumen.

35 Fenómeno de expansión ME GUSTARÍA QUE SE GRABEN ESTA IDEA: Fenómeno de Expansión 0.20m ES UN ESPESOR PEQUEÑO, PERO SI ES ARCILLA SECA, AUNQUE ESTE SOBRE ROCA, SI INCREMENTA SU CONTENIDO DE AGUA ES SUFICIENTE PARA LEVANTAR Y AGRIETAR UNA CASA.

36 Fenómeno de expansión Fenómeno de Expansión

37 Fenómeno de expansión Fenómeno de Expansión

38 Fenómeno de expansión Fenómeno de Expansión G % 100 Clasif. Petrográfica: Norma R P Clasificación S.U.C.S. GM SCT A A P.E.S. Suelto kg/m N S P.E.S. Máximo kg/m U L A Humedad óptima % 13.3 O Límite líquido % 66 < 25 M Índice plástico % 39 < 6 E M Valor Soporte California % 41 > 80 T A Expansión % R L Equivalente de arena % 16 > 40 I L Partículas alargadas % 14 <40 A A mm. % 14 Partículas lajeadas % 15 < CURVA GRANULOMETRICA Designación de la malla /8" 3/4" 1" 11/2" 2" pasa en masa Porcentaje que ΣL< 10 6 ΣL> Abertura de la malla (mm)

39 Fenómeno de expansión Relleno compactado en una única capa, en la plataforma para recibir la superficie de rodamiento del nuevo estacionamiento. Los sondeos se realizarón en la única capa de base existente (S1 a S5) en el área del estacionamiento (Fig. 2.3) Fenómeno de Expansión DATOS DE LA OBRA (Capa única de concalidad de base) Sondeo Ubicación * Masa volumétrica Contenido de agua Compactación Espesor kg / m 3 % % cm máxima de lugar óptimo de lugar 1 S S S S S Promedio en % : 89.2

40 Fenómeno de expansión Pc = 7 ton/m Def. expansión = 7.0% Fenómeno de Expansión e σ kg/cm2 Presión de expansión = 20 ton/m 2

41 Fenómeno de expansión LIMO DE ALTA COMPRESIBILIDAD (MH) Fenómeno de Expansión ARCILLA DE ALTA COMPRESIBILIDAD EXPANSIVA (CH)

42 Fenómeno de expansión Fenómeno de Expansión

43 Fenómeno de expansión Fenómeno de Expansión G R A N U L O M E T R I A % 100 Clasif. Petrográfica: Norma P Clasificación S.U.C.S. MH SCT A P.E.S. Suelto kg/m S P.E.S. Máximo kg/m A Humedad óptima % Límite líquido % 52 < Índice plástico % 20 < 12 M Valor Soporte California % 18 > 20 A Expansión % 1.7 <2 L L A mm. % 67 CURVA GRANULOMETRICA Designación de la malla /8" 3/4" 1" 11/2 " 2" 90 Porcentaje que pasa a en masa ΣL< 10 6 ΣL> Abertura de la malla (mm)

44 Fenómeno de expansión Sondeo Ubicación * Masa volumétrica Contenido de agua Compactación Espesor kg / m 3 % % cm máxima de lugar óptimo de lugar 6 S S S S S S Promedio en % : 80.4 Desviación estándar en %: 3.58 Fenómeno de Expansión

45 Fenómeno de expansión Pc = 5.0 ton/m Fenómeno de Expansión e Def. exp. = 4.5% Presión de expansión = 5 ton/m σ kg/cm2

46 Fenómeno de expansión Efectos que ocasionan la expansión: Mecánicos Físico químicos Fenómeno de Expansión Causas de la expansión: Hidratación de las partículas de arcilla Hidratación de cationes Repulsión osmótica Factores que afectan la expansión: Tipo de minerales y cantidad de los mismos Densidad Estado de esfuerzos Estructura del suelo Fluidos intersticiales

47 Fenómeno de Colapso Fenómeno de Colapso Fenómeno de colapso: reducción del volumen irrecuperable producido por el aumento del grado de saturación del suelo manteniendo constante el estado de esfuerzo exterior.

48 Fenómeno de Colapso Deformación de colapso Fenómeno de Colapso

49 Fenómeno de Colapso Fenómeno de Colapso

50 Fenómeno de Colapso Fenómeno de Colapso

51 Fenómeno de Colapso Fenómeno de Colapso

52 Fenómeno de Colapso Fenómeno de Colapso

53 Fenómeno de Colapso Def. exp. = 4.5% Presión de exp.= 5 ton/m 2 e Fenómeno de Colapso σ kg/cm Índice de poros, e Def. de colapso = 6.1% σ kg/cm 2

54 Características de un suelo para que ocurra un Colapso Fenómeno de Colapso Barden et al., (1969) indican tres factores básicos que controlan el mecanismo de colapso a) La existencia de una estructura potencialmente inestable, abierta no saturada, capaz de reducir significativamente su volumen a expensas de una disminución del volumen de poros, también asociada con suelos compactados por el lado seco.

55 Proceso de Colapso b) Un estado exterior de cargas suficientemente grande. Fenómeno de Colapso c) La presencia de enlaces entre las partículas que aumenten la rigidez del suelo y que puedan ser perdidos al aumentar el grado de saturación.

56 Correlaciones entre Límite Líquido & Peso volumétrico seco Fenómeno de Colapso

57 Ensayo de colapso o expansión Fenómeno de Colapso

58 A.R. Booth, 1977 Cambio de volumen En suelos con una densidad seca relativamente baja ocurren asentamientos por colapso cuando se incrementa su grado de saturación. La cantidad de colapso depende de la estructura y mineralogía del suelo.

59 Condiciones necesarias para que ocurra el colapso (Lawton, et al. 1989) Cambio de volumen Estructura abierta, parcialmente inestable y parcialmente. Un esfuerzo total bastante grande tal que la estructura sea meta estable. Presencia de succión que estabilice al suelo en la condición ió de parcialmente.

60 Colapso en arenas arcillosas compactadas (Lawton, et al. 1989) Los suelos compactados pueden expandir o colapsar dependiendo de la condición y magnitud de los esfuerzos. Cambio de volumen

61 CONTENIDO CONTENIDO O Los suelos no s Comportamiento volumétrico Fenómeno de hinchamiento Fenómeno de colapso Ejemplos de la Literatura de ensayos de colapso con y sin control de la succión

62 La magnitud del colapso está directamente relacionada con la humedad de compactación, el grado de saturación y el nivel de la energía de compactación empleada. Cambio de volumen Los suelos con una humedad de compactación inicial baja presentan la mayor deformación de colapso y conforme dicha humedad aumenta esta deformación disminuye hasta valores casi nulos para humedades próximas al óptimo de compactación. Los suelos con una densidad seca baja en el momento del inicio de la saturación son los más propensos al colapso.

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65 GRACIAS POR SU ATENCIÓN Dr. Mauricio Barrera Bucio