Universidad católica los ángeles de Chimbote. ASIGNATURA: MECANICA DE SUELOS I ESTUDIANTE: GRUPO “B” AYACUCHO – PERÚ 2020

ANGULOS DE COHESIÓN Y FRICCIÓN INTERNA DE LOS SUELOS En el campo de la ingeniería geotécnica, los estudios geotécnicos constituyen un pilar fundamental para la identificación de las propiedades específicas de los suelos y de su comportamiento. Para la realización de dichos estudios, la fase de reconocimiento del terreno se encuentra comprendida por la aplicación de diferentes técnicas que persiguen un propósito común. Al realizar el análisis del ángulo de fricción interna y cohesión, se persigue hallar valores para estos descriptores de la resistencia al corte que se encuentren realmente identificados con las propiedades y condiciones específicas de la zona, con el propósito de realizar un aporte valioso en este ámbito que se refleje en el mejor entendimiento del comportamiento del suelo que constituye este lugar.

Ángulo de fricción interna El ángulo de fricción Interna es la representación matemática del coeficiente de rozamiento en el plano de falla, el cual es un concepto básico de la física. El ángulo de fricción depende de varios factores entre ellos algunos de los más importantes son: Tamaño de los granos. Forma de los granos. Distribución de los tamaños de granos. Densidad.

Resistencia residual Es la resistencia al corte que posee el material después de haber ocurrido la falla. Las arcillas sobre consolidadas, la resistencia calculada del análisis de deslizamientos después de ocurridos, correspondía al valor de la resistencia residual y recomendó utilizar para el cálculo de factores de seguridad, los valores de los parámetros obtenidos para la resistencia residual. Sin embargo, en los suelos residuales la resistencia pico tiende a ser generalmente, muy similar a la resistencia residual. Otro factor que determina las diferencias entre la resistencia pico y residual es la sensitividad, la cual está relacionada con la perdida de resistencia por el remoldeo o la reorientación de las partículas de arcilla.

Ángulo de Cohesión La cohesión es una medida de la cementación o adherencia entre las partículas de suelo de grano fino. La cohesión en mecánica de suelos es utilizada para representar la resistencia al cortante producida por la adherencia. En suelos eminentemente granulares en los cuales no existe ningún tipo de cementante o material que pueda producir adherencia, la cohesión se supone igual a 0, y a estos suelos se les denomina Suelos no Cohesivos.

Ángulo de Cohesión En los suelos arcillosos el planteamiento no es tan sencillo debido a su estructura floculada. El deslizamiento depende no sólo del ángulo de inclinación sino también de la cantidad de superficie de contacto.

La cohesión es una resistencia tangencial También se observa que es necesario, ahora, mayor esfuerzo cuanto mayor sea la superficie de contacto Que expresado en tensiones: Rotura de suelos cohesivos: Las arcillas tienen una estructura a escala microscópica como la de un castillo de naipes (estructura floculada). El tamaño de las partículas y el de los huecos es de tamaño de la micra. El espacio que queda entre partículas, los huecos o poros están generalmente llenos de agua.

Compresión y deformación en un suelo arcilloso I. El comportamiento de esta estructura y su forma de rotura, cuando se aplica un esfuerzo, varia según las condiciones de contorno que se apliquen. Primera parte: CARGA RÁPIDA (deformación a corto plazo de tiempo). Si aplicamos una carga rápida, por ejemplo una zapata de cimentación en terreno arcilloso, el agua no tiene tiempo de disiparse, de escapar, y permitir que la estructura del suelo se deforme en su totalidad. (Deformación primera o asiento instantáneo) A la carga aplicada se oponen todas las fuerzas de contando entre las partículas.

Maquinaria para el ensayo compresión simple en suelos. La maquinaria varia según se trate de modelos en función del suelo a ensayar: para arcillas blandas, duras, calizas o rocas. Pueden ser manuales o automáticos

Compresión y deformación suelos arcillosos II. Suelos normalmente consolidados. Si aplicamos una carga o esfuerzo muy lentamente, el agua intersticial va escapando, disipándose su aportación a las tensiones de contacto Analogía mecánica del muelle de Terzagui (1936): Estructura de partículas sólidas = Resorte. Agua intersticial = Fluido incompresible. Capilares continuos (vacíos) = Orificios

Compresión y deformación suelos arcillosos II. Al ir aumentado las tensiones entre las partículas sólidas (muelles), estas se deforman más. Se producen unas rótulas (plastificación) en la zona de contacto de las partículas de arcilla y la estructura de suelo comienza a plegarse sobre si misma compactándose. (deformación secundaria o asiento diferido). Al producirse la plastificación y reorganizarse las partículas del suelo, la resistencia a cortante debida a la cohesión desaparece.

Deformación suelos arcillosos sobre consolidados Suelos sobre consolidados. Continuando con este suelo idealizado podemos imaginar, además, que las partículas del suelo se someten a grandes presiones y entonces los contactos entre las partículas se plastifican más y más formándose soldaduras en las uniones. Estas soldaduras se ven favorecidas por la presencia de sales, cales , óxidos etc.

ESFUERZO Y RESISTENCIA AL CORTE Los suelos al fallar al corte se comportan de acuerdo a las teorías tradicionales de fricción y cohesión, según la ecuación generalizada de Coulomb, El análisis de la ecuación de Coulomb requiere predefinir los parámetros, ángulo de fricción y cohesión, los cuales se consideran como propiedades intrínsecas del suelo. La presencia del agua reduce el valor de la resistencia del suelo dependiendo de las presiones internas o de poros de acuerdo a la ecuación de Coulomb, en la cual el factor μ está restando al valor de la presión normal. La presión resultante se le conoce con el nombre de presión efectiva.

Resistencia máxima Es la resistencia al corte máxima que soporta el material que no ha sido fallado previamente, la cual corresponde al punto más alto en la curva esfuerzo- deformación. La utilización de la resistencia máxima en el análisis de estabilidad, asume que la resistencia máxima se obtiene simultáneamente a lo largo de toda la superficie de falla. Sin embargo, algunos puntos en la superficie de falla han alcanzado deformaciones mayores que otros en un fenómeno de falla progresiva, y asumir que la resistencia máxima actúa simultáneamente en toda la superficie de falla produce errores en el análisis.

Esfuerzo efectivo Los esfuerzos efectivos son los que controlan el comportamiento del suelo y no los esfuerzos totales. En problemas prácticos, el análisis con esfuerzos totales podría utilizarse en problemas de estabilidad a corto plazo, y las presiones efectivas para analizar la estabilidad a largo plazo.

Métodos Sísmicos Ondas Sísmicas Se basan en la medición de variaciones de velocidad de propagación de ondas de choque, producidas de forma natural (sismos) ò artificial (por un impacto en el suelo o por una explosión), con los cuales se puede obtener una imagen aproximada de la estratigrafía del terreno. Las ondas sísmicas son la propagación de perturbaciones temporales generadas por movimientos que se originan en el interior de la corteza terrestre, debido a repentinos desplazamientos en fallas o hendiduras en la tierra y se propagan hacia la superficie terrestre dando como resultando terremotos o movimientos sísmicos de baja intensidad. Ondas Sísmicas

Ondas Primarias o de Compresión Son ondas longitudinales que al propagarse hacen vibrar las partículas en el mismo sentido del tren de ondas, esto produce compresión y dilatación del medio de propagación a su paso. Estas ondas son las que se propagan a mayor velocidad por lo que a cualquier distancia respecto de la fuente de ondas, serán las primeras en ser registradas. La velocidad con la que se propagan las ondas P se denomina “Velocidad de Onda Vp”

Ondas Secundarias o de Corte Son ondas transversales que al propagarse hacen vibrar las partículas en sentido perpendicular al tren de ondas Las ondas S se diferencian de las ondas P, debido a que las primeras poseen una mayor amplitud que las segundas; es por ello que las Ondas S transportan la mayor cantidad de energía generada por la fuente de una sacudida. Estas ondas se propagan a menor velocidad respecto de las ondas P. La velocidad con la que se propagan las ondas S se denomina “Velocidad de Onda Vs”.

La Clasificación de los Suelos. Todo ingeniero que se encuentre dedicado a la mecánica de suelos debe ocuparse de la realización de los ensayos para la clasificación de los suelos, por cuanto dicha labor le ayudará a familiarizarse con las diferentes propiedades de los suelos que trabaja, al tiempo que le permitirá aumentar de forma considerable el valor de sus observaciones en el terreno. la clasificación de suelos consiste básicamente en incluir un suelo en un grupo que presenta un comportamiento semejante. De forma tal, que la correlación de unas ciertas propiedades con un grupo de un sistema de clasificación generalmente constituye un proceso empírico que es potenciado a través de la experiencia.

Clasificación por granulometría En función de la granulometría se clasifican los suelos en cuatro grandes grupos: Gravas, con tamaño de grano entre unos 80 mm. y 4,75 mm. Los granos son observables directamente, existen grandes huecos entre las partículas y no retienen el agua. Arenas, con partículas de tamaño entre 4,75 mm. y 0,075 mm. Estas son observables a simple vista y se mantienen inalterables en presencia de agua. Limos, con partículas comprendidas entre 0,075 mm. y 0,002 mm. Retienen el agua y si se forma una pasta limo-agua y se coloca sobre la mano, al golpear con la mano se aprecia cómo el agua se exuda con facilidad. Arcillas, cuyas partículas tienen tamaños inferiores a 0,002 mm. Son partículas de tamaño gel y están formadas por minerales silicatados, presentan una gran capacidad de retención de agua, con un porcentaje de huecos muy elevado (huecos pequeños pero con una gran superficie de absorción en las partículas).

Los Estudios Geotécnicos y el Reconocimiento del Terreno. El estudio geotécnico constituye la primera fase de la metodología geotécnica: “partiendo de la información geológica y geotécnica existente, así como de los antecedentes de cimentación en la zona, se realiza una campaña de prospección y reconocimiento del terreno, tomando muestras para su ensayo en el laboratorio y definiendo los parámetros geotécnicos característicos. De manera que en el estudio geotécnico deben tenerse en cuenta los patrones del terreno antes de proceder al reconocimiento del mismo. Dichos patrones son aquellos relativos a características de tipo geológico e hidrogeológico.

Es importante tener en cuenta que el terreno quedará caracterizado, no solo en relación con la naturaleza y capas que lo componen, sino además cuando se conozcan las propiedades geotécnicas de las mismas, que sean necesarias para utilizar los correspondientes modelos o teorías de cálculo de cimentaciones. Existen dos caminos para establecer estas propiedades: 1. Estimándolas a partir de datos existentes para el mismo terreno, o terrenos comparables. 2. Determinándolas a partir de ensayos de laboratorio o ensayos in situ, bien directamente o a través de correlaciones entre parámetros geotécnicos. Lo recomendable siempre es que las

El Reconocimiento del Terreno. Para proceder correctamente en el reconocimiento de las propiedades geotécnicas del suelo, es necesario primero identificar cuáles son las necesidades específicas a resolver, para luego escoger el modelo o método que se encuentre más acorde con la posibilidad de satisfacerlas. Así las cosas, se pueden diferenciar cinco técnicas fundamentales para realizar la inspección, a saber: 1. Catas o pozos. 2. Sondeos mecánicos o manuales. 3. Pruebas de penetración dinámica o estática. 4. Métodos geofísicos. 5. Pruebas In situ.

Los Principales Descriptores Geotécnicos. Con lo expuesto hasta el momento, debe subrayarse la importancia del hecho que los estudios geotécnicos no se limiten exclusivamente a aportar información cualitativa y apreciaciones subjetivas, por el contrario deben ofrecer un alto grado de objetividad de los métodos de verificación utilizados. De acuerdo con la autora, los descriptores geotécnicos básicos que deben estar incluidos en un estudio geotécnico, son los siguientes: Descriptores geotécnicos básicos o de identificación: Parámetros de estado (humedad y densidad), granulometría, plasticidad: límites de Atterberg y clasificación de los suelos. Descriptores geotécnicos sobre la resistencia al corte del suelo: Cohesión, ángulo de rozamiento interno, cohesión no drenada y resistencia a la cohesión simple. Descriptores geotécnicos sobre la deformación del suelo: Módulo de Young y coeficiente de Poisson, tensión de pre consolidación (arcillas), coeficientes de compresibilidad (arcillas) o parámetros equivalentes. Descriptores geotécnicos sobre la permeabilidad: Coeficiente de permeabilidad Descriptores geotécnicos sobre características químicas, en especial relación a la agresividad del terreno respecto al hormigón: En relación con los suelos, se tiene la identificación de sulfatos y Acidez Baumann. Gully; en relación con las aguas: pH, Magnesio, Amonio, sulfatos, dióxido de Carbono, residuo seco. Descriptores geotécnicos a considerar en suelos metaestables: Para suelos expansivos debe considerarse la tensión máxima de hinchamiento, hinchamiento libre, índice de expansividad (hinchamiento Lambe, atención: solo cualitativo), para suelos colapsables, el índice de colapso.

Las técnicas de muestreo Las muestras son porciones representativas del terreno que conservan algunas o la totalidad de las propiedades del mismo y que se extraen para su identificación o realizar ensayos de laboratorio. En el proceso de prospección del subsuelo, se obtienen principalmente dos tipos de muestras: Las muestras alteradas (MA). Como bolsas de suelo, trozos de trigo, terrones, etc. Este tipo de muestras son útiles para la determinación de propiedades del terreno, tales como: estratigrafía, granulometría, plasticidad, peso específico de partículas, entre otras. Muestras inalteradas. Tales como las muestras para la determinación de la humedad (MH), las muestras en bloque (MB) y las muestras para la determinación de propiedades geotécnicas. Los principales mecanismos o herramientas utilizados para el muestreo, se enumeran a continuación: 1. Muestreador de media caña. 2. El cucharon rascador. 3. Tubo de pared delgada. 4. Muestreador de pistón.

La Profundidad de la Perforación La profundidad mínima aproximada requerida para los sondeos debe ser predeterminada. La profundidad puede ser cambiada durante la operación de barrenado, dependiendo del subsuelo encontrado. Se debe determinar el incremento neto de esfuerzo, bajo una cimentación, como se muestra en la figura a continuación. Se debe estimar la variación del esfuerzo vertical efectivo con la profundidad. Luego se procede a determinar la profundidad, en la que el incremento de esfuerzo efectivo es igual al esfuerzo neto estimado sobre la cimentación. Más adelante se determina la profundidad en la que el incremento neto de esfuerzo es igual a 0.05. Finalmente –salvo que se encuentre un lecho rocoso−, la menor de las dos profundidades que se determinaron en los pasos previos, es la profundidad mínima aproximada requerida de perforación.

Los parámetros de resistencia al corte del suelo. Como ya se ha determinado en el apartado anterior, entre los descriptores geotécnicos sobre la resistencia al corte de los suelos se tienen los siguientes: Cohesión, ángulo de rozamiento interno, cohesión no drenada y resistencia a la cohesión simple. Para efectos del presente trabajo, se persigue la identificación de solo dos de tales parámetros de resistencia, los cuales hacen referencia específicamente al ángulo de rozamiento interno y la cohesión no drenada. Debe considerarse que en el momento en que se realiza una modificación al estado tensional del suelo se generan deformaciones que pueden producir su rotura. No obstante, en algunas ocasiones los suelos con cohesión rompen a veces por tracción, como puede ser el caso de las grietas verticales que a veces se observan en la coronación de un talud deslizado, la forma de rotura más habitual en los suelos es por esfuerzo cortante (tensión tangencial).

Círculo de Mohr En un análisis en dos dimensiones, los esfuerzos en un punto pueden ser representados por un elemento infinitamente pequeño sometido a los esfuerzos σx, σy, y τxy. Si estos esfuerzos se dibujan en unas coordenadas τ - σ, se puede trazar el círculo de Esfuerzos de Mohr (Figura 1). En este círculo se definen los valores de σ máximo (σ1) y σ mínimo (σ3), conocidos como Esfuerzos principales. Para interpretar correctamente el fenómeno de falla al cortante, debe tenerse en cuenta cuál es la dirección de los esfuerzos principales en cada sitio de la superficie de falla. El esfuerzo σ1 es vertical en la parte superior de la falla y horizontal en la parte inferior.

Envolvente de falla El círculo de Mohr se utiliza para representar o describir la resistencia al cortante de los suelos, utilizando la envolvente de falla Mohr–Coulomb, lo cual equivale a que una combinación crítica de esfuerzos se han alcanzado. Los esfuerzos por encima de la envolvente de falla no pueden existir. Donde: C = Intercepto del eje de resistencia (cohesión). Φ = Pendiente de la envolvente (ángulo de fricción).

Medición de la Resistencia al Cortante Para determinar los parámetros de la resistencia al corte de los materiales, la forma más común es la de realizar ensayos de laboratorio. Sin embargo los valores de la resistencia al cortante determinados en ensayos de laboratorio dependen de factores, tales como la calidad de las muestras, su tamaño y el método de ensayo. Las envolventes de falla para suelos son generalmente, no lineales en un rango amplio de esfuerzos, por esta razón los ensayos deben idealmente, ser realizados en el rango de esfuerzos correspondiente a la situación de diseño. Por ejemplo, para análisis poco profundos deben utilizarse esfuerzos normales pequeños, y para fallas profundas esfuerzos normales mayores.

Selección de las muestras Los valores de la resistencia al cortante que se obtienen de los ensayos dependen de muchos factores, especialmente de la calidad de las muestras, su tamaño y el método de análisis. La resistencia al cortante depende del grado de saturación. Las envolventes de falla para suelos, generalmente no son lineales para un rango amplio de esfuerzos, y los ensayos deben realizarse cubriendo la gama de esfuerzos que sea relevante para cada caso en particular. Por ejemplo, cuando las superficies potenciales de falla son poco profundas, los niveles de esfuerzo normal son bajos y se pueden presentar errores de interpretación, especialmente en los ensayos triaxiales.

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