“DISEÑO DE CIMENTACIONES PARA CONJUNTOS … · 2017-10-09 · con algunas partículas de arena...

U RU R

B AB A

“DISEÑO DE CIMENTACIONES PARA CONJUNTOS “DISEÑO DE CIMENTACIONES PARA CONJUNTOS DISEÑO DE CIMENTACIONES PARA CONJUNTOS DISEÑO DE CIMENTACIONES PARA CONJUNTOS HABITACIONALES EN SUELOS MALOS“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 Dr. en Ing. Mauricio Barrea [email protected][email protected]

Introducción

La mecánica del suelo sedesarrolló principalmente paraestudiar los suelos saturados,quedando los suelos nosaturados relegados a unsegundo plano.

Introducción

suelo no saturado

Gran parte de las formacionesgeológicas y las estructuras de

Cambio devolumen

Edo. del arte geológicas y las estructuras detierra construidas por el hombre,están constituidas por materialesno saturados existiendo incluso

Resultados experimentales

Conclusiones no saturados, existiendo inclusozonas en las que la condición desaturación no es ni siquieraprevisible

Conclusiones

previsible.

Suelos problemáticos

Los suelos llamados problemáticos, talescomo los suelos residuales, los sueloscolapsables y los suelos expansivos, sonejemplos de materiales potencialmente no

Introducción

suelo no saturado

saturados.Cambio devolumen

Edo. del arte


ConclusionesConclusiones

Introducción

Estos suelos están sujetos a cambios dehumedad de origen natural o artificial, causandoimportantes modificaciones en su capacidadimportantes modificaciones en su capacidadportante (resistencia y deformabilidad).Introducción

suelo no saturado

Cambio devolumen

Edo. del arte



Origen de los suelos no saturados

Suelos naturalesSedimentarios

M di i l– Medio acuoso: marino, lacustre– Medio Aéreo: Arenas eólicas, loess

Residueales

Introducción

suelo no saturado

Cambio devolumen

Edo. del arte


Conclusiones

Suelos Artificiales

Conclusiones

Rellenos no compactadosSuelos compactados

Fases de un suelo

Fase Fase de agua

de aire

Fase sólida

Introducción

suelo no saturado

Partículas sólidasS S

Cambio devolumen

Edo. del artePartículas sólidas

Fase sólida

adsorbida

libreAgua

Suelo no saturado Suelo saturadoResultados

experimentales

Conclusionesvapor

libre

Fase gaseosa

Aire

Conclusiones

disuelto

Aire

Sales Disueltas

Fase líquida

Estructura de los suelos (Alonso et al., 1987)

a) Microestructura matricialcon algunas partículas dearena

b) Microestructura deagregados de partículas elementales

c) Microestructura de arena con matriz de arena y conectores de arcilla

Introducción

suelo no saturado

Cambio devolumen

Edo. del arte



d) Partícula elemental enconfiguración paralela

Microscopia electrónica de barrido ambiental (ESEM) (M.Barrera, 2002)

Particulasde limo

Introducción

suelo no saturado

Agregados

Cambio devolumen

Edo. del arte Agregados

15 μmResultados

experimentales

Conclusiones

Suelo compactado en condiciones isótropas:

45 μm Aumento x 3000, agregados de partículas de arcilla

Conclusiones

pρd=1.63g/cm3;so = 0.8 MPaSro = 48%; wo = 11%

Fenómeno de superficie

Fenómeno de superficie tiene origen en laszonas de contacto, donde actuarán fuerzaspropias de cada fase, y también de fasesdiferentes.

Introducción

suelo no saturado

partículaEsfuerzo de compresión r

Cambio devolumen

Edo. del arte

uTsTs

io

compresiónsobre las paredes

r2


Conclusiones

meniscoua

uw Tubo

de

vidr

r1⎛ ⎞

− = −⎜ ⎟1 1u u T

Ec. Laplace

Conclusiones

⎜ ⎟⎝ ⎠

a w s1 2

u u Tr r

Variables del estado de esfuerzos

• Para suelos saturados (principio de losesfuerzos efectivos de Terzaghi) :

Donde

′ = −ij ij w ijuσ σ δIntroducción

suelo no saturado

σij´ : presión efectiva

σij : presión totalCambio de

volumen

Edo. del arteuw : presión intersticial de agua

δij : delta de KroneckerResultados

experimentales

Conclusiones

a) La presión de poro del agua actúe en el agua y en elsólido en cada dirección.

Conclusiones

b) Únicamente cambios en el esfuerzo efectivo explicanlos cambios en el estado del suelo .

Estado de esfuerzos

• Para suelos no saturados (Fredlund, 1979):

( )− −ij a ij a w iju y u uσ δ δIntroducción

suelo no saturado

Donde

Cambio devolumen

Edo. del arte Dondeσij : presión totalua : presión intersticial de aire


Conclusiones a

uw : presión intersticial de agua

δij : delta de Kronecker

Conclusiones

(ua – uw) : succión matricial

Modelo de comportamiento elastoplástico (BBM, Alonso et al., 1990)

w)

MPa

Superficie de fluencia (SI)

s0 v0 v0LC : σ σ ∗⎛ ⎞ ⎛ ⎞=⎜ ⎟ ⎜ ⎟

ción

, (u

a-u w

de fluencia LC

pse)

Zona elástica0

c cv v

LC : σ σ

=⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Succ

superficie de f

(Loading-Collapse

σv0*

d dsσCondiciones elásticas

Carga vertical neta, σv-ua (MPa) vn

vns

d dsde ; de=s

σσ

κ κ= − −

Condiciones elastoplásticas

( ) ( )vn

vns

d dsde s ; de s>0s

λσ

σΔλ= − = −

Condiciones elastoplásticas

( ) ( ) ( ) ( )s 1 exp0 r rsλ βλ ⎡ ⎤= − − +⎣ ⎦

Esquema de una célula edométrica con control de succión (Barrera, 2002)

σvFiltro poroso

uaDisco cerámico AVEA (1.5 MPa)

uweliminación de

( )

eliminación de burbujas de aire

Piezas mecánicas de la célula edométrica (Barrera, 2002)

Combinaciones de pedestales:a) Disco cerámico AVEA y

piedra porosaa) b) piedra porosab) Disco cerámico AVEA

a) b)

Piezas principales de acero inoxidable

Célula edométrica y equipos complementarios (Barrera, 2002)

Medidor de volumen de agua

I t f

σv

Interfase

ua

uw

a

IBAIBAIBAIBA

Trayectoria de esfuerzos19 1

17

18

19

m3 )

Sr = 0.80.70.5

0.3 (σm-ua)

0.3 MPa 0.6 MPa 1.2 MPa

A2

4

68

1B C

EF

GEnsayo A

14

15

16

γ d (k

N/m

0 00MPa

. A

B4

68

1

(ua-

u w)

MPa

4

68

0.1

D H I

ba

ce

J

5 10 15 20 25Humedad, w (%)

13

14 0.5

0.2

0.71 2

ψ=4

0.13

4

68

2

0.1d

efg

hij

Ensayo B

Programaexperimental

B C

0.60

0.80

MPa LC

(C →

D)

LC (E

→ F

)

LC fi

nal

, ( )4 6 8 2 4 6 8 2

0.1 1σv-ua (MPa)

EF

G0.20

0.40

(ua-

u w)

M

LC in

icia

l

σv01

D H IJ0.00

σv02

0.1 1 102 4 6 8

σv-ua (MPa)

Trayectoria de esfuerzos

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

ResultadosResultados

Célula triaxial con control de succión 1/2

eea) Célula de carga d

cb

ed

cb

ea) Célula de carga.

b) LVDT (desplazamiento vertical

del láser).c

ac

ac) Presión de confinamiento

d) Motor de desplazamiento ver-tical

de los sensores láser

e) Presión de agua (uw) y presión de

aire (ua). Cabezal.

f) P ió d ( ) ió d

ff

f) Presión de agua (uw) y presión de

aire (ua). Pedestal.

g) Presión de la tensión axial.

ggDisco porosoDisco porosoDisco poroso

muestra LVDT sensores láserDiscos cerámicos AVEA y anillos porosos

gmuestra LVDT sensores láser

Discos cerámicos AVEA y anillos porosos

g

AVEAAVEAAVEA

Célula triaxial con control de succión 2/2

uauw

LVDT (εa)( a)

Láser (εr)( r)

Muestra parcialmente montada en la célula

Programa experimental 2/2

A : estado A : estado sobreconsolidadosobreconsolidado inducido por un proceso hidráulico (colapso)inducido por un proceso hidráulico (colapso)

B : estado normalmente consolidado B : estado normalmente consolidado C : estadoC : estado sobreconsolidadosobreconsolidado inducido por un proceso mecánico (carga)inducido por un proceso mecánico (carga)C : estado C : estado sobreconsolidadosobreconsolidado inducido por un proceso mecánico (carga)inducido por un proceso mecánico (carga)D : estado D : estado sobreconsolidadosobreconsolidado inducido por un proceso hidráulico (retracción)inducido por un proceso hidráulico (retracción)

2 1 1 8 C4

1.5

1.8

2.1

a) B3

A5

T t A1.2

1.5

1.8

a)

C4

D4

Test-CTest-D

0.6

0.9

1.2

q (M

Pa

B3Test-ATest-B

0.6

0.9

q (M

PaC1 D2

Test D

0.0

0.30.0

0.30.6

0 90.2

0.4 (MPa)

B1

B2

A1A2A3

A4 0.0

0.30.0

0.30.6

0.90.11 (MPa)C2

C3

Ψ = 87 MPaD1

D2

D3

0.91.20.6

0.81.0

p (Ms (MPa)

1.21.5

110

100p (M

s (MPa)

CONTENIDOCONTENIDOCO O

Introducción

Los suelos no saturados

Comportamiento volumétricoF ó d EXPANSIONFenómeno de EXPANSION

Fenómeno de COLAPSO

Ejemplos de la Literatura

Resultados experimentales de ensayos de colapso con y sin control de la succión

Conclusiones

Principales características de los suelos no saturados

Los fenómenos más característicos del suelono saturado se relacionan con sus defor-maciones volumétricas (εv) al modificar su

Introducción

suelo no saturado ( v)

grado de saturación (Sr):

Deformaciones negativas en cuyo caso se

Cambio devolumen

Edo. del arte Deformaciones negativas, en cuyo caso seproduce una EXPANSION.

Deformaciones positivas en cuyo caso se


Conclusiones Deformaciones positivas, en cuyo caso seproduce un COLAPSO.

Conclusiones

Fenómeno de expansión

Fenómeno de expansión: se producecuando un suelo no saturado se

Introducción

suelo no saturado

humedece absorbiendo agua entre suspartículas aumentando de volumen.

Fenómeno deExpansión

Edo. del arte pResultados

experimentales



ME GUSTARÍA QUE SE GRABEN ESTA IDEA:

Introducción

suelo no saturado

0 20 ES UN ESPESOR PEQUEÑO PERO SI ES

GRABEN ESTA IDEA:


Edo. del arte

0.20m ES UN ESPESOR PEQUEÑO, PERO SI ES

ARCILLA SECA, AUNQUE ESTE SOBRE ROCA, Resultados

experimentales

Conclusiones

SI INCREMENTA SU CONTENIDO DE AGUA ES Conclusiones

SUFICIENTE PARA LEVANTAR Y AGRIETAR

UNA CASAUNA CASA.


Introducción

suelo no saturado


Edo. del arte




50 . 800 % 100 Clasif. Petrográfica: NormaP 38 . 10 99 Clasificación S.U.C.S.A 25 . 40 97 P.E.S. Suelto kg/m3 1352S 19 . 05 79 P.E.S. Máximo kg/m3 1878

GM SCTGRANU

A 9 . 52 35 Humedad óptima4 . 75 23 Límite líquido < 252 . 0 19 Índice plástico

M 0 . 850 18 Valor Soporte CaliforniaA 0 . 425 16 ExpansiónL 0 . 250 16 Equivalente de arenaL 0 150 15 Partículas alargadas

%% > 80

---411.0

< 6

%%%

13.36639

> 4014 < 40

%%

16

ULOMETR I

Introducción

suelo no saturado

L 0 . 150 15 Partículas alargadasA 0 . 075 mm. % 14 Partículas lajeadas

CURVA GRANULOMETRICA

14 < 4015 < 40

%%

A

100

Designación de la malla

200 100 60 40 20 10 4 3/8" 3/4" 1" 11/2" 2"


Edo. del arte

50

60

70

80

90

pasa

en

mas

a

ΣL< 106ΣL> 106


Conclusiones

10

20

30

40

50

Por

cent

aje

que Conclusiones

Abertura de la malla (mm)

00.075 0.15 0.25 0.425 0.85 2 4.75 9.5 19 25 37.5 50


Relleno compactado en una única capa, en la plataforma para recibir la superficie de rodamientodel nuevo estacionamiento. Los sondeos se realizarón en la única capa de base existente(S1 a S5) en el área del estacionamiento (Fig. 2.3)

DATOS DE LA OBRA (Capa única de concalidad de base)

Introducción

suelo no saturado

Compactación Espesor% cm

máxima de lugar óptimo de lugar1 S1 1956 1757 5.80 4.38 89.8 19.0

DATOS DE LA OBRA (Capa única de concalidad de base)

Sondeo Ubicación * Masa volumétrica Contenido de agua

kg / m3 %


Edo. del arte2 S2 1956 1692 5.80 3.79 86.5 20.0

3 S3 1956 1841 5.80 4.55 94.1 12.0

4 S4 1956 1863 5.80 3.95 95.3 15.0

5 S5 1956 1575 5 8 6 89 80 5 10 0


Conclusiones 5 S5 1956 1575 5.8 6.89 80.5 10.089.2Promedio en % :

Conclusiones


0.9500Pc = 7 ton/m2

Introducción

suelo no saturado 0.8500

0.9000

Def. expansión = 7.0%


Edo. del arte0 7500

0.8000

e


Conclusiones

0.7000

0.7500

0.010 0.100 1.000 10.000

σ kg/cm2 P ió d ióConclusiones σ kg/cm2 Presión de expansión = 20 ton/m2


Introducción

suelo no saturado

LIMO DE ALTA COMPRESIBILIDAD (MH)


Edo. del arte


ConclusionesConclusionesARCILLA DE ALTA COMPRESIBILIDAD EXPANSIVA (CH)


Introducción

suelo no saturado


Edo. del arte




50 . 800 % 100 Clasif. Petrográfica: NormaP 38 . 10 99 Clasificación S.U.C.S.A 25 . 40 97 P.E.S. Suelto kg/m3 1173S 19 . 05 97 P.E.S. Máximo kg/m3

A 9 . 52 91 Humedad óptima

MH SCT

140131.8%

GRANUL

Introducción

suelo no saturado

4 . 75 84 Límite líquido < 402 . 0 82 Índice plástico

M 0 . 850 80 Valor Soporte CaliforniaA 0 . 425 77 ExpansiónL 0 . 250 74L 0 . 150 71

%%

5220

%% > 20

<2181.7

< 12

LOMETR I A


Edo. del arte

A 0 . 075 mm. % 67

CURVA GRANULOMETRICA

A

100

Designación de la malla

200 100 60 40 20 10 4 3/8" 3/4" 1" 11/2" 2"


Conclusiones 60

70

80

90

a en

mas

a

ΣL< 106

Conclusiones

20

30

40

50

Por

cent

aje

que

pasa ΣL> 106

Abertura de la malla (mm)

0

10

20

0.075 0.15 0.25 0.425 0.85 2 4.75 9.5 19 25 37.5 50

Fenómeno de expansiónCompactación Espesor

% cmmáxima de lugar óptimo de lugar

6 S1 1348 1111 33 40 25 00 82 4 20 0

%Sondeo Ubicación * Masa volumétrica Contenido de agua

kg / m3

6 S1 1348 1111 33.40 25.00 82.4 20.0

7 S2 --- --- --- --- --- ---

8 S3 1348 1109 33.40 23.15 82.3 21.0

9 S4 1316 983 37.70 29.53 74.7 19.5

Introducción

suelo no saturado

10 S5 1348 1125 33.4 24.83 83.5 23.0

11 S6 1348 1066 33.40 20.92 79.1 16.580.43.58

Promedio en % :Desviación estándar en %:


Edo. del arte




13500

Introducción

suelo no saturado 1.2000

1.2500

1.3000

1.3500

Pc = 5.0 ton/m2


Edo. del arte 1.0500

1.1000

1.1500e

Def. exp. = 4.5%


Conclusiones0.9000

0.9500

1.0000

0.010 0.100 1.000 10.000

Presión de

expansión = 5 ton/m2

Conclusiones 0.010 0.100 1.000 10.000

σ kg/cm2

Ef t i l ió


Efectos que ocasionan la expansión:– Mecánicos – Físico – químicosq

Causas de la expansión:– Hidratación de las partículas de arcilla

Introducción

suelo no saturado Hidratación de las partículas de arcilla

– Hidratación de cationes– Repulsión osmótica


Edo. del arte

Factores que afectan la expansión:– Tipo de minerales y cantidad de los mismos


Conclusiones – Densidad– Estado de esfuerzos– Estructura del suelo

Conclusiones

– Fluidos intersticiales

Fenómeno de Colapso

Fenómeno de colapso: reducción delvolumen irrecuperable producido por el

Introducción

suelo no saturado

aumento del grado de saturación delsuelo manteniendo constante el estado


Edo. del arte

de esfuerzo exterior.Resultados experimentales



Deformación de colapso

Introducción

suelo no saturado


Edo. del arte




Introducción

suelo no saturado

Edo. del arte




Fenómeno de Colapso1.3000

1.3500

1.0500

1.1000

1.1500

1.2000

1.2500

e

Def. exp. = 4.5% Presión de exp.= 5 ton/m2

Introducción

suelo no saturado

0.9000

0.9500

1.0000

0.010 0.100 1.000 10.000

σ kg/cm2

Edo. del arte


1 35

1.40

1.45


Conclusiones

1.25

1.30

1.35

e po

ros,

e

Conclusiones

1.10

1.15

1.20

Índi

ce d

e

Def. de colapso = 6.1%

1.050.01 0.10 1.00 10.00

σ kg/cm2

Características de un suelo para que ocurra un Colapso

Barden et al., (1969) indican tres factoresbá i t l l i dbásicos que controlan el mecanismo decolapso

Introducción

suelo no saturado

a) La existencia de una estructurapotencialmente inestable, abierta noEdo. del arte


saturada, capaz de reducir significativamentesu volumen a expensas de una disminucióndel volumen de poros también asociada con


Conclusiones del volumen de poros, también asociada consuelos compactados por el lado seco.

Conclusiones

Proceso de Colapso

b) Un estado exterior de cargas suficiente-mente grande.Introducción

suelo no saturado

c) La presencia de enlaces entre laspartículas que aumenten la rigidez delEdo. del arte


p q gsuelo y que puedan ser perdidos alaumentar el grado de saturación.


Conclusiones aumentar el grado de saturación.Conclusiones

Correlaciones entre Límite Líquido & Peso volumétrico seco

Introducción

suelo no saturado

Edo. del arte




Ensayo de colapso o expansión

Introducción

suelo no saturado

Edo. del arte




A.R. Booth, 1977

En suelos con una densidad seca relativamenteIntroducción

suelo no saturado

En suelos con una densidad seca relativamentebaja ocurren asentamientos por colapsocuando se incrementa su grado de saturación

Edo. del arte

Cambio devolumen

cuando se incrementa su grado de saturación.

La cantidad de colapso depende de laResultados

experimentales

Conclusiones

La cantidad de colapso depende de laestructura y mineralogía del suelo.

Conclusiones

Condiciones necesarias para que ocurra el colapso (Lawton, et al. 1989)

Estructura abierta, parcialmente inestableIntroducción

suelo no saturado

, py parcialmente saturado.

Edo. del arte

Cambio devolumen

Un esfuerzo total bastante grande tal quela estructura sea meta estable.


Conclusiones

Presencia de succión que estabilice all l di ió d i l tConclusiones suelo en la condición de parcialmente

saturado.

Colapso en arenas arcillosas compactadas(Lawton, et al. 1989)

Los suelos compactados puedenIntroducción

suelo no saturado

p pexpandir o colapsar dependiendo de lacondición y magnitud de los esfuerzos.

Edo. del arte

Cambio devolumen

y g



CONTENIDOCONTENIDOCO O

Introducción

Los suelos no saturados

Comportamiento volumétricoComportamiento volumétricoFenómeno de hinchamiento Fenómeno de colapso

Ejemplos de la Literatura

Resultados experimentales de ensayos de colapso con y sin control de la succión

Conclusiones

Conclusiones

La magnitud del colapso está directamente relacionadacon la humedad de compactación, el grado de saturación

Introducción

suelo no saturado

y el nivel de la energía de compactación empleada.

Los suelos con una humedad de compactación inicial

Edo. del arte

Cambio devolumen

Los suelos con una humedad de compactación inicialbaja presentan la mayor deformación de colapso yconforme dicha humedad aumenta esta deformación


Conclusiones

disminuye hasta valores casi nulos para humedadespróximas al óptimo de compactación.

Conclusiones

Los suelos con una densidad seca baja en el momentodel inicio de la saturación son los más propensos alcolapso.

Conclusiones

Introducción

suelo no saturado

Edo. del arte

Cambio devolumen



GRACIAS POR SU ATENCIÓNGRACIAS POR SU ATENCIÓN

Dr. Mauricio Barrera Bucio

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