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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 BucioBuciombarrera_bucio@yahoo.com.mxmbarrera_bucio@yahoo.com.mx
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
Resultados experimentales
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
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
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
Resultados experimentales
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
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
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
Resultados experimentales
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
Resultados experimentales
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
Resultados experimentales
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
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de expansión
ME GUSTARÍA QUE SE GRABEN ESTA IDEA:
Introducción
suelo no saturado
0 20 ES UN ESPESOR PEQUEÑO PERO SI ES
GRABEN ESTA IDEA:
Fenómeno deExpansión
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.
Fenómeno de expansión
Introducción
suelo no saturado
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de expansión
Introducción
suelo no saturado
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de expansión
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"
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte
50
60
70
80
90
pasa
en
mas
a
ΣL< 106ΣL> 106
Resultados experimentales
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
Fenómeno de expansión
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 %
Fenómeno deExpansión
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
Resultados experimentales
Conclusiones 5 S5 1956 1575 5.8 6.89 80.5 10.089.2Promedio en % :
Conclusiones
Fenómeno de expansión
0.9500Pc = 7 ton/m2
Introducción
suelo no saturado 0.8500
0.9000
Def. expansión = 7.0%
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte0 7500
0.8000
e
Resultados experimentales
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
Fenómeno de expansión
Introducción
suelo no saturado
LIMO DE ALTA COMPRESIBILIDAD (MH)
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte
Resultados experimentales
ConclusionesConclusionesARCILLA DE ALTA COMPRESIBILIDAD EXPANSIVA (CH)
Fenómeno de expansión
Introducción
suelo no saturado
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de expansión
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
Fenómeno deExpansión
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"
Resultados experimentales
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 %:
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de expansión
13500
Introducción
suelo no saturado 1.2000
1.2500
1.3000
1.3500
Pc = 5.0 ton/m2
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte 1.0500
1.1000
1.1500e
Def. exp. = 4.5%
Resultados experimentales
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
Fenómeno de expansión
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
Fenómeno deExpansión
Edo. del arte
Factores que afectan la expansión:– Tipo de minerales y cantidad de los mismos
Resultados experimentales
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
Fenómeno de Colapso
Edo. del arte
de esfuerzo exterior.Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de Colapso
Deformación de colapso
Introducción
suelo no saturado
Fenómeno de Colapso
Edo. del arte
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de Colapso
Introducción
suelo no saturado
Edo. del arte
Fenómeno de Colapso
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de Colapso
Introducción
suelo no saturado
Edo. del arte
Fenómeno de Colapso
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de Colapso
Introducción
suelo no saturado
Edo. del arte
Fenómeno de Colapso
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Fenómeno de Colapso
Introducción
suelo no saturado
Edo. del arte
Fenómeno de Colapso
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
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
Fenómeno de Colapso
1 35
1.40
1.45
Resultados experimentales
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
Fenómeno de Colapso
saturada, capaz de reducir significativamentesu volumen a expensas de una disminucióndel volumen de poros también asociada con
Resultados experimentales
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
Fenómeno de Colapso
p q gsuelo y que puedan ser perdidos alaumentar el grado de saturación.
Resultados experimentales
Conclusiones aumentar el grado de saturación.Conclusiones
Correlaciones entre Límite Líquido & Peso volumétrico seco
Introducción
suelo no saturado
Edo. del arte
Fenómeno de Colapso
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Ensayo de colapso o expansión
Introducción
suelo no saturado
Edo. del arte
Fenómeno de Colapso
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
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.
Resultados experimentales
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
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
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
Resultados experimentales
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
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
Conclusiones
Introducción
suelo no saturado
Edo. del arte
Cambio devolumen
Resultados experimentales
ConclusionesConclusiones
GRACIAS POR SU ATENCIÓNGRACIAS POR SU ATENCIÓN
Dr. Mauricio Barrera Bucio