Elementos De Diseño En Mecanica De Suelos

ELEMENTOS DE DISEÑO EN MECÁNICA DE SUELOS.

1.1. INTRODUCCIÓN

Antes del siglo XVII, la Ingeniería Civil era realmente un arte pues sus problemas debían ser resueltos básicamente a través del sentido común, la intuición o por tanteos. El posterior desarrollo de la Física en general, y de la Mecánica en particular, permitió efectuar estudios teóricos y experimentales que significaron el uso extensivo del acero y del hormigón armado en las estructuras.

El suelo quedó al margen de este desarrollo de la Ingeniería Civil, pero los problemas que empezaron a afectar la estabilidad de las edificaciones hizo que algunos ingenieros, a partir del fines del siglo XVIII, intentaran aisladamente la comprensión de algunos de estos fenómenos (Coulomb y otros). Sin embargo sólo a partir del siglo XX que se aborda en forma sistemática una interpretación científica del suelo como un material de Ingeniería, y esto se inicia con la publicación del libro “Erdbaumechanik” (Mecánica de Suelos), de Karl Terzaghi, en la ciudad de Viena, en el año 1925. En consecuencia, la Mecánica de Suelos es un producto de este siglo, con un fuerte desarrollo en años recientes, y con un campo de aplicación cada vez más vasto e importante en los proyectos de Ingeniería Civil.

En Chile, los sismos, su acción devastadora en edificios, caminos, puentes, puertos, taludes, etc... han obligado al desarrollo de esta especialidad de la Ingeniería Civil, lo que ha permitido acumular mucha experiencia local y ha redundado en proyectos más estables y seguros.

1.2. TIPOS DE FALLAS EN EL SUELO

Para efectos del estudio de la mecánica de suelos debemos considerar que éste puede fallar por las siguientes causas:

- La más importante es la falla al corte. Esta es originada por el deslizamiento de una parte del macizo sobre una zona de apoyo que permanece fija. Este tipo de falla podemos verla en taludes, excavaciones verticales, fundaciones, entre otras.

- La segunda corresponde a la deformación excesiva. En este caso, la roca y el suelo, al igual que otros materiales tales como el acero, el hormigón y la madera por ejemplo, se deforman para equilibrar las solicitaciones externas. El ejemplo más claro de ésto son los asentamientos debido al carácter deformable que posee el suelo.

- La última es la falla de la estructura del suelo por erosión, donde se pierden partículas minerales que constituyen la estructura del suelo. Aquí podemos hallar el caso típico de la infiltración del agua a través de las presas de tierra y el flujo hacia drenes.

1.3. FALLAS POR CORTE

En el estudio de una posible falla por corte, es necesario tener un manejo adecuado de las herramientas que permiten:

a) La determinación de las tensiones generadas por la aplicación de una solicitación a la masa de suelo o roca.

b) La determinación de la capacidad resistente del material que está siendo solicitado.

1.3.1. DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES AL INTERIOR DE UNA MASA DE SUELO.

La determinación de las tensiones al interior de una masa de suelo se puede realizar por alguno de los siguientes métodos:

a) Métodos analíticos basados en la Teoría de Boussinesq.

b) Métodos numéricos tales como el Método de Elementos Finitos.

1.3.1.1. MÉTODOS BASADOS EN LA TEORÍA DE BOUSSINESQ.

Boussinesq dedujo las ecuaciones que permiten determinar las tensiones al interior de una masa de suelo cuando éste es solicitado por una carga concentrada Q en su superficie.

Integrando las ecuaciones de Boussinesq para diferentes casos de carga, se generaron diversos gráficos llamados “bulbos de presiones” que permiten estimar los incrementos de presiones verticales y horizontales en un punto al interior de la masa de suelo, bajo varios tipos de cargas diferentes.

Los bulbos de presión se construyen dibujando a diferentes escalas la planta de la zapata, y aplicando la carta de influencia

Para áreas cargadas de formas irregulares, se puede usar las denominadas “Cartas de Influencia”, o bien, utilizar el principio de superposición aplicando áreas cargadas positivamente y otras negativamente.

Para calcular los incrementos de presión generados en el suelo por la acción de un terraplén, se puede usar la expresión de Carothers.

En el caso de suelos estratificados, al no ser válida la teoría de Boussinesq, se utilizan desarrollos de otros autores tales como Westergaard.

APLICACIONES :

Calculo de incremento de presión sobre un elemento de suelo, bajo una zapata, un grupo de zapatas, una losa de fundacion, zapatas con diferentes presiones de contacto, cargas en varios otros puntos.

El Método 2:1

El método 2:1 es una aproximacíon simple al cálculo de tensiones en un punto al interior de la masa de suelo, de calculo sencillo.

Se asume que la carga superficial se distribuye en planos horizontales cuya extensión queda definida por una proyección trapezoidal de la planta de fundación en una relación 2:1 (Vertical : Horizontal)

Fv

z  q 

otros criterios :

Para una zapata rectangular (B x L), se tiene:

Si la fundación es cuadrada:

B: ancho, L: largo

1.3.2. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD RESISTENTE DEL MATERIAL QUE ESTÁ SIENDO SOLICITADO.

1.3.2.1. RESISTENCIA AL CORTE

La rotura de un suelo, representada de manera ideal, se produce por cizallamiento a lo largo de una superficie que lo corta, deslizándose una de las partes sobre la otra.

Es importante decir que para los suelos, la resistencia al corte depende de los siguientes factores: velocidad de carga, índice de vacíos, presión de confinamiento, granulometría, tamaño y forma de los granos, permeabilidad y grado de saturación.

En los suelos no se considera la resistencia a la tracción por la misma definición de suelo (agregado de partículas minerales separables por medios de baja energía como agitación en agua), ni tampoco la falla por compresión pura (isotrópica), por cuanto sólo para presiones muy elevadas se producen roturas locales en los contactos de los granos.

1.3.2.2. TEORÍAS DE FALLA POR CORTE

Coulomb (1786) encontró experimentalmente que en las arenas, el problema de la resistencia al corte era similar al del deslizamiento de un bloque sobre una superficie, vale decir, la fuerza horizontal necesaria para producir el movimiento era proporcional al peso.

En equilibrio A punto de desplazar En movimiento

=arctg(Fh2/Fv)

tg==Fh2/Fv

En suelos   

 : ángulo de fricción interna.

En términos de tensiones, en estos suelos se tendría:

S =  tg 

S : resistencia al corte del suelo

Coulomb también comprobó que suelos como las arcillas no seguían este comportamiento, ya que resistían cizalle aun sin existir una fuerza normal al plano de deslizamiento. Esta propiedad la llamó cohesión “c”.

En un suelo que presente ambas componentes, la expresión sería:

S = c +  tg  (Coulomb)

Posteriormente Terzaghi (a comienzos del siglo XX) estableció que la resistencia al corte del suelo dependía de la presión efectiva entre los granos de suelo, la cual puede evaluarse como:

’ =  - u (Terzaghi)

’: presión efectiva o presión intergranular

 : presión total

u : presión del fluido en los poros del suelo

En términos generales, c y  llamados parámetros de resistencia al corte del suelo, debieran ser evaluados considerando el efecto del fluido de poros con lo cual se obtienen c’ y ’, parámetros de resistencia al corte del suelo en términos de presiones efectivas.

S = c’ + ’ tg ’

La presión del fluido en los poros se encontró luego que dependía en forma notable de la velocidad de aplicación de la carga en relación a la permeabilidad del suelo, lo que condujo a distinguir dos tipos de resistencia al corte en el suelo:

- resistencia al corte lenta o drenada

- resistencia al corte rápida o no drenada

Hvorslev determinó que en las arcillas saturadas c = c(w), o sea: S = f(w) + ( - u) tg ’

Esta expresión aproximadamente válida en arcillas NC con c  0, debe ser modificada para las arcillas PC, en las cuales la relación no sería lineal.

1.3.2.3. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS SEGÚN LA LEY DE CORTE:

Al conocer la ley de corte de Coulomb para un suelo, podemos definir la clasificación básica, según que los suelos tengan o no cohesión.

(a) (b) (c)

(a) Suelos puramente cohesivos, o sin rozamiento interno  .

(b) Suelos que tienen al mismo tiempo cohesión y fricción .

(c) Suelos no cohesivos.

1.3.2.4. REPRESENTACIÓN DE TENSIONES A TRAVÉS DEL CÍRCULO DE MOHR

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