CAPITULO IV TENSIONES DENTRO DE MASA DE SUELO Esfuerzo geostático z elemento A Esfuerzos en el elemento A están compuestos por las cargas externas y por el peso propio del suelo por sobre el elemento A. Ambos sistemas son complicados de cuantificar. Sin embargo, si tomamos el caso habitual en que la superficie del terreno es horizontal y el material es bastante homogéneo en la dirección horizontal esfuerzos geostáticos Esfuerzo geostático: esfuerzo asociado al peso propio del suelo. Podemos tener esfuerzos geostaticos verticales y horizontales. Como se calculan? 1
Esfuerzo geostático Esfuerzos geostáticos verticales: Equivalen al peso de una columna de suelo de densidad z elemento A - Si =cte v =zx en este caso, el esfuerzo vertical variará linealmente con la profundidad, es decir a mayor profundidad mayor el esfuerzo vertical. -Si =variable z v 0 Porque podria ser variable?? dz Que pasa cuando tenemos estratos?
Esfuerzo geostático Esfuerzos geostáticos horizontales: Generalmente, σ v σ h Como se determina σ h? z elemento A - Si retomamos el elemento A a una profundidad z, este elemento de suelo no se puede mover horizontalmente el suelo se encuentra en reposo Llevar muestra de suelo al laboratorio y obtenemos Ko: coeficiente de transmisión lateral en reposo Si tenemos Ko y σ v podemos obtener σ h K 0 h v 3
Esfuerzo geostático Valores típicos de Ko: Suelo granular suelto: 0.5 0.6 Suelo granular denso: 0.3 0.5 Arcillas (blandas): 0.9 1.1 Arcillas (duras): 0.8 0.9 Principio de presión efectiva z elemento A Si tenemos un suelo y lo cargamos, este esfuerzo es tomado por las partículas de suelo a través del contacto entre partículas. Ahora, si el suelo se encuentra saturado, el agua en los vacíos también puede tomar carga esto nos va a generar un incremento de presión. 4
Principio de presión efectiva En 193 Terzaghi presentó el principio de ESFUERZO EFECTIVO Aplica SOLO a suelos saturados Cuando existe presencia de agua, en el elemento A actúan: esfuerzo total (σ): esfuerzo imaginando que el suelo es monofásico, i.e. suelo + agua = una fase presión de poros (u): presión de agua que llena los poros esfuerzo efectivo (σ ): representa el esfuerzo transmitido sólo por las partículas σ = σ u Principio de presión efectiva Como se calcula la presión de poros??? Peso columna de agua sobre el elemento A Presión de poros: u = w x z De donde el esfuerzo efectivo vertical se escribe como: σ v = σ v u = x z - w x z = b x z Ahora, dado que el nivel de la napa freática no es constante, tendremos distintos casos dependiendo del número de estratos y de la posición de la NF 5
Principio de presión efectiva N.T. N.T. z t z sat N.T. z a t z b sat N.T. z a ta z w w N.T. z b tb z a sat z w sat Tensiones dentro de masa de suelo Resumen para el cálculo de esfuerzos geostaticos verticales y horizontales en presencia de agua. 1. Obtener esfuerzos totales verticales. Obtener esfuerzos efectivos verticales (totales presión de poros) 3. Obtener esfuerzos efectivos horizontales (usando Ko -> IMPORTANTE! Ko se usa solo con esfuerzos efectivos!!!) 4. Obtener esfuerzos totales horizontales (efectivos + presión de poros) 6
Tensiones dentro de masa de suelo Efecto de capilaridad El efecto de capilaridad se produce en suelos que están sobre pero cerca de la napa freática. El suelo sobre la napa freática chupa el agua hasta una cierta altura. La altura de la columna de agua que un suelo puede mantener es inversamente proporcional al tamaño de los poros del suelo en el contacto agua suelo, es decir, entre mas grandes los poros mas baja es la altura de la columna de agua. Esta columna de agua por sobre la napa freática se llama altura o carga capilar. Tensiones dentro de masa de suelo Efecto de capilaridad Bajo la napa freática las presiones de poros son positivas, sin embargo sobre la napa las presiones de poros son negativas, i.e. presiones inferiores a la atmosférica, por lo que: σ = σ (- u) = σ + u los esfuerzos efectivos son mayores que los totales!! 7
8 N.F. N.T. Agua Arena gruesa, w=0% Gs =.7, Ko = 0.4 Arcilla arenosa, t =1.9 t/m 3, e = 0.67, w=6.8%, Ko = 0.6 5 m 5 m 7 m A B C D Calcule las presiones verticales, horizontales (totales y efectivas) y presiones de poro en los puntos A, B, C y D. Tensiones por cargas externas Carga puntual: Carga distribuida P z R 5 1 1 3 Z R z P v q b=mz a=nz z En la ESQUINA: 1 1 1 1 1 4 m n n m n m mn arcsen n m n m n m n m n m mn q v
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Para el mismo ejercicio anterior, onsidere ahora que la napa freática es agotada hasta el nivel B y se agrega una carga rectangular de 5 t/m considerada de longitud infinita de 6 m de largo. Calcule el incremento de tensión vertical al centro de la carga rectangular a la profundidad D. 11
CAPITULO V COMPACTACION DE SUELOS Compactación Definición: Densificación del suelo por remoción de aire (mediante métodos mecánicos) no hay cambio significante en el volumen de agua Se mide en términos de su peso específico seco 1
Fases de la compactación Compactación Densificación de suelos de manera de: 13
Ensayo Proctor (1930-1940) Necesidad de compactar eficientemente con las máquinas existentes en la época Necesidad de medir los resultados de la compactación Ensayo Proctor Equipo 8 Das, 1998 14
Ensayo Proctor - Molde: altura = 116.3 mm diámetro = 101.6 mm - 3 capas iguales de material, golpeadas 5 veces cada una con un martinete de peso 4.4 N desde una altura de 304.8 mm - Esta energía corresponde a la disponible en la época Ensayo Proctor Para cada ensayo se determina el peso específico húmedo del suelo y luego el peso específico seco Se repite esto 4 o 5 veces con distintos grados de humedad 15
Ejemplo Los datos de un ensayo de compactación Proctor estándar se presentan en la siguiente tabla. Encuentre el peso específico seco máximo y la humedad óptima de compactación. Volumen molde Proctor (cm 3 ) Masa de suelo húmedo en el molde (kg) Contenido de humedad (%) 943.3 1.76 1 943.3 1.86 14 943.3 1.9 16 943.3 1.95 18 943.3 1.93 0 943.3 1.90 Volumen molde Proctor (cm 3 ) 943.3 Masa de suelo húmedo en el molde (kg) t (g/cm 3 ) w (%) d (g/cm 3 ) 943.3 943.3 943.3 943.3 943.3 16
1.78 1.76 densidad seca 1.74 1.7 1.7 1.68 1.66 1.64 0 5 10 15 0 5 humedad Posteriormente, dado que existía mayor energía de compactación disponible. Se desarrolló el Proctor Modificado 17
Proctor Modificado Establece 3 procedimientos: Factores que afectan la compactación TIPO DE SUELO: 18
Factores que afectan la compactación Factores que afectan la compactación ENERGIA DE COMPACTACION Se define: Ee = Energía equivalente E e N n w h V Donde: - N: número de golpes por capa - n: número de capas - w: pero pisón o martinete - h: altura de caída - v: volumen del molde 19
Energía de compactación Aplicando la ecuación anterior se puede ver que la relación entre el Proctor estándar y el Proctor modificado es de 1:4 E e N n w h V Pst Pm N 3 5 n 5 5 w (N) 4.4 44.5 h (m) 0.3048 0.457 v (cm 3 ) 944 944 Ee (KNm/m 3 ) 591.3 696 Energía de compactación d (t/m ) Proctor Modificado Proctor Estándar A mayor energía de compactación: Densidad seca mayor Humedad óptima menor w (%) 0
Energía de compactación Para un contenido de agua dado, el peso específico máximo teórico se obtiene cuando no existe aire en los espacios vacíos S = 100% d G s 1 A 1 wg s w Compactación en terreno Objetivo compactación: mejorar las propiedades ingenieriles del terreno Se debe especificar la densidad seca para cumplir con los propósitos del proyecto Se define: CR = compactación relativa o grado de compactación CR = peso unitario seco en terreno x100% peso unitario seco en ensayo 1
Las especificaciones técnicas para la construcción de un tarreaplén exigen que el suelo a utilizarse sea compactado por lo menos al 95% del Proctor Modificado. Una medición realizada en el terraplén entrega un valor de t =1.98 t/m 3 y S=70%. En base a esta medición determine si se está cumpliendo la especificación de compactación. Además calcule la cantidad de aire para el máximo del Proctor Modificado Compactación en terreno Habitualmente CR = 90 105% Además se especifica la humedad al momento de compactar. Esta humedad corresponde a la humedad óptima obtenida en laboratorio, o valores cercanas a ella (1.5% mas, 3% menos) Las diferencias con respecto a w op son debido a factores climáticos
Como se procede en terreno? En términos bien generales: - Se dispone del material especificado para rellenar el suelo existente - Se extiende en capas de espesores sueltos compatibles con la maquinaria disponible (espesores 15 cm a 60 cm) - Se compacta con los equipos especificados - Se realiza control de calidad Equipos de compactación Pisón de mano Altamente ineficiente Baja energía de compactación W = 0 kg 3
Equipos de compactación Plancha vibradora Suelos granulares W = 50-100 kg Equipos de compactación Rodillo liso Para la mayoría de los suelos menos arenas uniformes o arenas limosas W = 400 kg - 0 ton 4
Equipos de compactación Rodillo liso vibratorio Suelos granulares W = 400 kg - 0 ton W Wop Equipos de compactación Rodillos con placas Suelos no granulares W = 400 kg - 0 ton 5
Equipos de compactación Rodillos patas de cabra Fundamentalmente arcillas W = 400 kg - 0 ton Equipos de compactación 6
Control de calidad Verificar si se cumplen las propiedades exigidas Ubicación de muestras debe ser representativa en capas y materiales Se recomiendo una muestra cada 1000 m 3 a 3000 m 3 o en cambios de material o especificaciones Control de calidad Dos tipos de ensayos: Destructivos: obtener una muestra de material genera un espacio que después debe ser compactado No destructivo: métodos indirectos que no requieren muestra de suelo 7
Ensayo destructivo Densidad in situ: cono de arena Cono de arena 8
Cono de arena Aplicable a partículas de tamaño < 50 mm Obtener el peso de suelo húmedo de una pequeña perforación hecha sobre la superficie y generalmente del espero de la capa compactada Se obtiene el volumen de material extraído Cono de arena - Se obtiene la densidad aparente seca de la arena normalizada - Se hace un hoyo en la capa y se rellena con la arena normalizada conociendo el peso y la densidad de la arena normalizada obtenemos el volumen - Conociendo el volumen y el peso de suelo húmedo y luego la humedad obtenemos la densidad seca grado de compactación 9
Ensayo no destructivo - Densímetro nuclear Densímetro nuclear Basado en la interacción de rayos gamma provenientes de una fuente radioactiva y los electrones de las órbitas exteriores de los átomos del suelo Lectura de intensidad de radiación es convertida a una medida de densidad húmeda por medio de una curva de calibración propia del equipo 30
CBR Forma de evaluar y clasificar la capacidad de un material como sub-rasante o material de base en la construcción de carreteras. Mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas. Se hacen generalmente sobre muestras compactadas con el contenido de humedad óptimo, determinado en el ensayo de compactación Proctor. A menudo se compactan dos muestras, uno para penetración inmediata y otro para penetración después de dejarlo saturar por 96 horas para simular las condiciones más desfavorables en cuanto a drenaje de un camino y para determinar su posible expansión. 31