Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”

Extensión Barinas - SAIA

Mecánica de suelos

INTEGRANTES:

Mario Fajardo

18.802.407

20 de septiembre del 2015

Resistencia de los suelos

En ingeniería, la mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física y las ciencias naturales a los problemas que involucran las cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de 1925.

Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo de una u otra forma, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán determinados, entre otros factores, por el desempeño del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por el del suelo utilizado para conformar los rellenos.

Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si, aún sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono.

En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la supraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta investigación de mecánica de suelos

TENSIONES EFECTIVAS 

Las fases y la estructura del suelo El suelo es un conjunto de partículas entre las que existen huecos o poros, lo que podemos comprender que el suelo puede contener tres fases distintas:Solida (partículas), Liquida (agua) y Gaseosa (aire)

Desde un carácter multifasico deriva una dificultad para comprender el comportamiento del suelo ya que está expuesta a las diferentes fases que la componen ya mencionadas. En una observación a escala microscópica se representan las partículas granulares con tendencia a una agrupación preferentemente subvertical y también cono se transmiten las fuerzas existentes originadas por la gravedad lo que puede ser relativamente el peso del suelo, en donde este esfuerzo se produce por el contacto grano-grano. Por otra parte si este mismo tipo de suelo le es aplicado nuevos esfuerzos debido a procesos geológicos o a la actividad constructiva, este tendrá una tendencia a una nueva estructura, por consiguiente corresponderá a un nuevo ordenamiento de partículas. En donde el suelo puede presentar por ejemplo.

Compresión del Suelo. Que es prácticamente la reducción del volumen de sus poros o a lo que es lo mismo hacia una reordenación de partículas para una estructura más densa.

Hinchamiento. Consiste en un aumento de su volumen de poros, es decir, una reordenación de sus partículas en una estructura más abierta, con más espacio entre ellas, el aumento del volumen de huecos ira asociado a la absorción de un volumen igual de agua.

Podemos resumir que algunas de las características básicas del comportamiento del suelo, como el resultado del proceso de formación geológica presentara una determinada ordenación de partículas o, lo que es lo mismo, una determinada estructura, caracterizada por una serie de orientaciones preferenciales tanto desde el punto de vista geométrico como tensional.

EL POSTULADO DE LAS TENSIONES EFECTIVAS 

Como puede deducirse el estudio del comportamiento del suelo desde el punto de vista microscópico resulta complicado por lo que este enfoque se encuentra limitado a taras de investigación. Dadas las dificultades anteriores, la mecánica de suelo clásica ha tenido desde el principio al estudio del comportamiento del suelo desde el punto de vista macroscópico, en donde se estable un marco teórico postulado por Terzaghi para los suelos saturados. 

El postulado se refiere a las tensiones normales principales, y por extensión a las tensiones normales sobre cualquier otra orientación de ejes.Las tensiones en cualquier punto de un plano que atraviesa una masa de suelo pueden ser calculadas a partir de las tensiones principales totales que actual en ese punto.

Si los poros del suelo se encuentran rellenos de agua bajo una presión, las tensiones principales totales se componen de dos partes. Una parte llamada presión neutra o presión intersticial, actúa sobre el agua y sobre las partículas sólidas en todas direcciones y con igual intensidad.Las diferencias entre estas dos representa un exceso de presión sobre la presión neutra y actúan exclusivamente en la fase solidad del suelo. Estas fracciones de las tensiones principales totales se denominan tensiones efectivas. 

Cualquier efecto medible debido a un cambio de tensiones, tal como la comprensión, la distorsión o la modificación de la resistencia al corte de un suelo, es debido exclusivamente a cambios en las tensiones efectivas.

PRUEBAS DE RESISTENCIA EN SUELOS

ENSAYO TRIAXIAL. 

Este método de ensayo da un valor aproximado de la resistencia de los suelos cohesivos en términos de esfuerzos totales. El método solo es aplicable a suelos cohesivos que no expulsan agua durante la etapa de carga del ensayo y mantienen su resistencia intrínseca después de remover las presiones de confinamiento. Los suelos secos friables, los materiales fisurados, los limos, las turbas y las arenas no pueden ser analizados por este método para obtener valores significativos de la resistencia a la compresión no confinada.

La resistencia de un suelo no confinado a la compresión se define como el mínimo esfuerzo compresivo necesario para romper una muestra no confinada de suelo, de forma cilíndrica, en condiciones normalizadas.En este método la resistencia a la compresión no confinada se toma como la máxima carga alcanzada por unidad de área durante el ensayo, o la carga por unidad de área cuando se alcanza 15% de la deformación axial, lo que ocurra primero durante la ejecución de un ensayo. 

El objetivo primario de la prueba de compresión no confinada es obtener rápidamente un valor aproximado de la resistencia a la compresión de los suelos que tienen suficiente cohesión para ser sometido a dicho ensayo. Otro de los objetivos de la prueba es determinar la cohesión del suelo en estudio, al aplicarle carga axial a una muestra cilíndrica de suelo. 

Consiste en colocar una muestra cilíndrica de suelo dentro de una membrana de caucho o goma, que s e introduce en una cámara especial y se le aplica una presión igual en todo sentido y dirección. Alcanzando ese estado de equilibrio, se aumenta la presión normal o axial (σ1), sin modificar la presión lateral aplicada (σ 3), hasta que se produzca la falla.

Realizando por lo menos 3 pruebas, con presiones laterales diferentes, en un gráfico se dibujan los círculos de Mohr que representan los esfuerzos de falla de cada muestra y trazando una tangente o envolvente a estos, se determinan los parámetros φ y c del suelo. Dependiendo del tipo de suelo y las condiciones en que este trabajará, las alternativas para realizar el ensayo serán: consolidado no drenado CU, no consolidado no drenado UU o consolidado drenado CD. 

PRUEBA DE CORTE DIRECTO

El ensayo de corte directa es adecuado para la determinación relativamente rápida de las propiedades de resistencia de materiales drenados y consolidados. Debido a que las trayectorias de drenaje a través de la muestra son cortas, se permite que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápidamente que con otros ensayos drenados. El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remoldeados o compactados. Hay sin embargo una limitación en el tamaño máximo de las partículas presentes en las muestras.

Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al corte en una situación de campo donde ha tenido lugar una completa consolidación bajo los esfuerzos normales actuales. La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de presión en los poros quedan disipados. Los resultados de varios ensayos pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de consolidación y la resistencia al corte en condiciones drenadas.

Durante el ensayo de corte hay rotación de los esfuerzos principales, lo que puede o no corresponder a las condiciones de campo. Aún más, la ruptura puede no ocurrir en un plano de debilidad, puesto que ella tiene que ocurrir cerca de un plano horizontal en la parte media del espécimen. La localización fija del plano de ruptura en el ensayo puede ser una ventaja en la determinación de la resistencia al corte a lo largo de planos reconocidamente débiles dentro del material del suelo y para analizar las interfaces entre materiales diferentes.

Los esfuerzos de corte y los desplazamientos no están distribuidos uniformemente dentro de la muestra y no puede definirse una altura apropiada para calcular las deformaciones de corte o cualquier otra cantidad asociada de interés en geotecnia. La baja velocidad de desplazamiento asegura la disipación de los excesos de presión de los poros, pero también permite el flujo plástico de suelos cohesivos blandos. Debe tenerse cuidado de asegurar que las condiciones del ensayo representen las condiciones que se están investigando.

El intervalo de los esfuerzos normales, la velocidad de deformación y las condiciones generales del ensayo deben ser seleccionadas para reflejar las condiciones específicas de los suelos que se está investigando

PRUEBA DE CORTE SIMPLE 

Es una variante del corte directo de laboratorio, en donde a la muestra ensayada no se le induce un plano de corte sino que se somete a una fuerza que produce una deformación. En este ensayo, las líneas horizontales son líneas de extensión nula, en cambio en el ensayo de corte directo, la deformación está limitada a una zona muy estrecha próxima a la separación entre las cajas, por lo que este ensayo es inadecuado para el estudio de las deformaciones.

En los aparatos de corte simple, se coloca la muestra cilíndrica dentro de una membrana de goma, reforzada con un espiral de hilo de constatan (aleación de cobre y níquel). La muestra se somete a una deformación de corte simple. Donde los planos principales de tensiones y deformaciones rotarán en la medida en que cambie el estado de tensiones. Durante el ensayo las tensiones y las deformaciones, serán las mismas sobre cualquier plano horizontal. Además se elimina el roce con las paredes al aplicar el esfuerzo vertical.Durante la fase de consolidación, la tensión principal mayor es igual a la presión de consolidación vertical (sv) y la tensión principal menor es igual a la tensión horizontal (sh) que corresponde al valor de sh = Ko*sv. Debido a un incremento en las tensiones de corte en el plano horizontal, las que provocan una rotación en la dirección de las tensiones principales y cambio en la magnitud, las condiciones de tensiones son desconocidas y están limitadas a considerar las tensiones de corte (txy) y las tensiones normales (sy) en el plano horizontal. Se supone que la probeta se rompe cuando la resistencia al corte en este plano alcanza un valor máximo, independiente de que se haya producido una resistencia al corte mayor en otro plano.

COMPRESIÓN SIMPLE (Suelos cohesivos) 

Se ha visto la compresión confinada o uniaxial, con el edómetro. Ahora, la compresión inconfinada, similar a la que se somete a los cilindros de concreto, sirve para determinar la resistencia a la compresión simple, qU, de muestras de arcilla. 

En suelos finos granulares (φ = 0°), qU es un indicativo de la capacidad de soporte del suelo. Por el confinamiento, una arcilla puede soportar mayores esfuerzos que qU, pero en general cuando σ3 = 0, en el círculo de Mohr, el τmáx es C Figura 11.7 literal c, y como qU = σ1 se puede deducir que qU = 2 CU

Las muestras utilizadas para estos ensayos o bien son indeformadas o entonces siendo deformadas, deben reproducir las condiciones se pretenden alcanzar en la obra.

Clasificación de los ensayos de corte triaxiales

Para reproducir diferentes condiciones de solicitación existentes en los macizos que se encuentran en la vida real, los ensayos de corte se clasifican en tres grupos principales:

Ensayos lentos, o con drenaje

Ensayos rápidos, o sin drenaje

Ensayos rápidos o con pre consolidación

En los ensayos lentos con drenaje las tensiones s3 y s1 son aplicadas lentamente y con la válvula abierta, para disipar constantemente la atención neutra.

En los ensayos rápidos y sin drenaje, las tensiones s3 y s1 son aplicadas rápidamente y con la válvula cerrada.

En los ensayos con pre consolidación, la tensión s3 es aplicada lentamente y la tensión s1 aplicada rápidamente.

En cualquiera de los ensayos de compresión triaxial la tensión principal puede crecer o decrecer durante corte como es el caso de una excavación o de un terraplén.

Los valores de la cohesión y el ángulo de rozamiento de un suelo, no son parámetros constantes del suelo pero si coeficientes empíricos que pueden variar en largos intervalos para un mismo suelo conforme las varias y posibles condiciones de pre compresión, drenaje y otras variables.

Ensayos de caracterización de la resistencia al corte de los suelos

1) Ensayos de laboratorio

Triaxial

Corte Directo

Corte directo simple

a) Ensayo triaxial: permite el control de las tensiones totales, tensiones efectivas, tensiones neutras y deformaciones durante el corte.

Ensayo consolidado no drenado (CU): son conocidos por ensayos rápidos;

Ensayo consolidado drenado (CD): el drenaje es permanente (siempre ocurre drenaje). La tensión neutra es siempre nula. No se genera exceso de tensión neutra.

De esta forma las tensiones totales son iguales a las tensiones efectivas. Este ensayo se considera un ensayo lento.

Ventajas del ensayo triaxial:

– permite el control del drenaje

– no hay ruptura progresiva

– permite el ensayo en diversas trayectorias

Desventajas del ensayo triaxial:

– dificulta en el moldeado de probetas de arena

b) Ensayo de corte directo: durante el ensayo se pueden realizar lecturas

– deformación horizontal

– deformación vertical

– fuerza cortante aplicada

Este ensayo tiene ventajas en arenas y cuando conocemos el plano donde ocurre la ruptura. El plano de ruptura está previamente definido. La ruptura es progresiva, sucede inicialmente en el borde de la caja y avanza hacia el centro. No hay control del drenaje.

2) Ensayos de campo

a) ensayo Vane test: consiste la rotación, a una velocidad estándar de un molinillo (conjunto de cuatro láminas introducidas en el suelo a profundidad pretendida que gira y permite obtener un diagrama entre el momento torsor aplicado y el ángulo de rotación.

Sondaje a percusión: ensayo de penetración dinámica (SPT); permite medir la resistencia del suelo a medida que va siendo perforado

CARACTERISTICAS DE ENSAYO

1. La caracterización del comportamiento esfuerzo-deformación de un suelo es su módulo y relación de Poisson (Ensayo triaxial)

2. El modulo esfuerzo-deformación depende de la consolidación inicial, historia de esfuerzos, del tipo de suelo, de la perturbación de la muestra y del tipo de carga.

3. A partir de envolventes de falla de ensayos triaxiales se determina el ángulo de fricción y cohesión de suelos

4. El ensayo de corte directo tiene gran desventaja con ensayo triaxial porque impone la superficie de falla de la muestra y no toma en cuenta la rotación de tensiones principales.