Mecan. de Suelos.pdf
- 1. Ingeniería Geológica Capítulo 1: Fundamentos y métodos de investigación en Ingeniería Geológica Juan Carlos Tiznado A. Ingeniero Civil, MSc. jctiznad@gmail.com Sesión 1 Mecánica de Suelos
- 2. Agenda • Objetivos de la sesión • Contenido
- 3. Objetivos de la sesión • Revisar aspectos fundamentales de la mecánica de suelos que son utilizados en ingeniería geológica • Presentar elementos prácticos típicos de esta disciplina en el contexto de obras civiles y mineras
- 4. Contenido • Origen y formación de suelos. Descripción y clasificación. • Tensiones efectivas. Asentamientos y consolidación. • Resistencia al corte • Geotecnia de sedimentos • Suelos especiales
- 5. Origen y formación de suelos Roca Madre Acciones ambientales Físicas (térmicas, del agua) Químicas (hidratación, disolución, cementación) Biológicas (bacterias) Perfil de meteorización Roca: nivel inferior Suelo: nivel superior • Suelos residuales • Suelos transportados
- 6. Origen y formación de suelos Características generales de los suelos: Sistema particulado de sólidos “indeformables” • Origen • Granulometría Estructura y composición dependiente de: • Minerales • Agentes cementantes • Procesos químicos • Depositación Mitchell & Soga (2005)
- 7. Origen y formación de suelos Características generales de los suelos: Presencia de vacíos (poros, intersticios) • Saturados • Semi-Saturados • Secos Gas (aire) Líquido (agua) Sólido (partículas) Vacíos Agua libre Zona capilar saturada Zona capilar parcialmente saturada Agua discontinua
- 8. Descripción y clasificación de suelos Análisis granulométrico (ASTM D 2487) Peck et al. (1974) Coeficiente de Uniformidad (Cu) Coeficiente de Curvatura (Cc) Diámetros característicos (D60, D30 , D10) Porcentaje de finos (Tamiz N°200)
- 9. Descripción y clasificación de suelos Plasticidad Límites de Atterberg (ASTM D 4318) • Límite de retracción • Límite plástico • Límite líquido Carta Plasticidad (Casagrande) Tamiz n°40 ASTM ASTM D 2487
- 10. Descripción y clasificación de suelos Clasificación (material complementario) Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) • Casagrande, U.S. Army Corps of Engs., U.S. Bureau of Reclamation • Uso en Obras Civiles • Suelos gruesos: Granulometría. Suelos Finos: Plasticidad. • Finos: % que pasa n°200 > 50% Sistema AASHTO • Obras Viales: terraplenes, sub-rasantes, bases y sub-bases • 8 grupos: A-1 a A-8 (con subgrupos). • IG: índice de grupo • Finos: % que pasa n°200 > 35%
- 11. Tensiones efectivas Principio de Terzaghi (suelos saturados) Exceso de presiones por sobre la presión neutra u Actúan sobre la fase sólida del suelo Responsables de los cambios de volumen, distorsiones, o variaciones en la resistencia al corte del suelo u
- 12. Asentamientos y consolidación Esquemáticamente, al aplicar un incremento de carga ∆ σ al suelo: Válvula de drenaje: permeabilidad / velocidad de carga Paulatinamente, el exceso de presión neutra se transfiere al esqueleto sólido del suelo (resorte) t=t0 t=t1 t=tf 0 ' 0 u ' 0 ' 1 0 1 1 ' 1 ; u u u 0 ' f f u
- 13. Asentamientos y consolidación Asentamientos • Deformaciones verticales en suelos (cargas aplicadas) • Factores determinantes: Características y comportamiento del material Cargas (duración) Permeabilidad / Condiciones de drenaje • Condiciones drenadas / no-drenadas Consolidación • Disipación de los excesos de presiones neutras (cargas aplicadas) • Velocidad (tiempo) ↔ permeabilidad • Particularmente relevante en suelos finos
- 14. Resistencia al corte En general, los suelos fallan por esfuerzo de corte (tangencial) Criterio de rotura – Estado tensional/deformacional crítico Ejemplo: Criterio de Mohr-Coulomb tan ) ( u c Terzaghi et al. (1996) ’
- 15. Resistencia al corte Comportamiento de suelos sometidos a corte Suelos granulares • Sueltos: Comportamiento contractivo • Densos: Comportamiento dilatante • A mayor densidad inicial, mayor ángulo de fricción interno “peak” (comportamiento rígido)
- 16. Resistencia al corte Comportamiento de suelos sometidos a corte Suelos arcillosos – baja plasticidad • Blandos (NC): Comportamiento contractivo Resistencia “Peak” disminuye poco a deformaciones elevadas • Duros (OC): Comportamiento dilatante “Peak” superior al de arcillas NC (a muy baja deformación) Con alta deformación, “Peak” decrece aprox. al valor NC Suelos arcillosos – alta plasticidad • Comportamiento análogo al caso de baja plasticidad • Con alta deformación, resistencia disminuye a valores residuales
- 17. Geotecnia de sedimentos Sedimentos Procesos Geomorfológicos y Climáticos • Medio de transporte • Perfil de Meteorización Tipos de depósito Coluviales • Transporte: gravedad, hielo-deshielo, agua • Alteración in-situ de las rocas • Asociados a masas inestables Fragmentos angulares gruesos, heterométricos Matriz limo-arcillosa Baja resistencia
- 18. Geotecnia de sedimentos Tipos de depósito Aluviales • Transporte y depositación: agua • Tamaños variables arcillas, hasta gravas y bloques • Propiedades geotécnicas altamente variables • Heterogeneidad y anisotropía • Fuente de recursos Construcción en general Áridos Lacustres • Grano fino (limos y arcillas) • Pueden tener alto contenido de M.O. • Pueden ser muy blandos y compresibles
- 19. Geotecnia de sedimentos Tipos de depósito Litorales • Formados por acción de corrientes, oleaje y mareas • Predominio de arenas finas y limos • Consistencia blanda a muy blanda Materia orgánica - Carbonatos Glaciares • Transporte y depositación: hielo / agua de deshielo • Fluvio-glaciares Gravas gruesas a arcillas • Lacustre-glaciar Arcillas y estructuras laminadas • Susceptibles a la solifluxión e inestabilidad de laderas
- 20. Geotecnia de sedimentos Tipos de depósito De climas áridos y desérticos • Desecación profunda • Acumulación de sales • Movilidad con el viento • Problemas Ingenieriles: Expansividad (arcillas) y Colapso (por densificación) Alta erosionabilidad y Ataques por sales, cloruros y sultafos Otros: • Evaporíticos (precipitación química: sales, cloruros y sulfatos) • Volcánicos (alteración de materiales infrayacentes / transportados por emisiones volcánicas) • De climas tropicales (meteorización química - suelos residuales)
- 21. Suelos especiales Suelos expansivos • Humedad / Cambios importantes de volumen Expansividad: absorción de agua Retracción: eliminación de agua • Contenido de arcilla, mineralogía, estructura y fábrica Grado Expansividad Finos (%) LL Presión de Hinchamiento (kPa) Hinchamiento libre (%) I Baja < 30 < 35 < 25 < 1 II Baja a media 30-60 35-50 25-125 1-4 III Media a alta 60-95 50-65 125-300 4-10 IV Muy alta > 95 > 65 > 300 > 10
- 22. Suelos especiales Suelos dispersivos • Fuerzas repulsivas exceden fuerzas de atracción (finos) Floculación: separación de los agregados de partículas Arrastre de partículas por el agua (Erosión interna) Fangos • Desembocadura de ríos y zonas costeras • Depósitos finos, saturados, blandos y orgánicos • Susceptibilidad tixotrópica
- 23. Suelos especiales Suelos salinos y agresivos • Alta presencia de sales solubles • Pueden ser agresivos al hormigón de fundaciones • Problemas por sobre 0.02 % de sulfatos (contenido SO3) Sometidos a heladas - Permafrost • Penetración de las heladas en el terreno • Acumulación de “lentejones” en el suelo Invierno: expansiones Verano: reblandecimientos
- 24. Suelos especiales Suelos colapsables • Estructura abierta y muy suelta • Metaestabilidad Cementación (sulfatos) Relleno de huecos con partículas finas • Colapso por cambios de humedad Suelos licuables • Suelos areno-limosos, saturados • Sueltos y de baja permeabilidad • Pasan de un estado sólido a uno semi-líquido Aumento presiones intesticiales Tensiones efectivas “nulas” • Especialmente relevante durante terremotos