2_diseno_de_cimientos_reforzados_con_geomallas[1]

CIMENTACIONES REFORZADAS CON GEOMALLAS

Dr. Ing. Zenón Aguilar BardalesBach. Henry Muñoz Príncipe

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONESSÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

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INTRODUCCIÓNCimentar sobre áreas que poseen suelos blandos o material de relleno altamente compresibles involucra soluciones tradicionales como el uso de cimentaciones profundas o como el reemplazo grandes potencias de material suelto por otro de mejor calidad. Estos sistemas están ligados a un alto costo lo que ha significado buscar soluciones más económicas.

Así para mejorar la capacidad de soporte y disminución del asentamiento de suelos blandos que involucre menor costo, se han realizado diversas investigaciones que incluye el reforzamiento de estos suelos utilizando geomallas.

Investigadores concluyen que el uso de geomallas mejora la capacidad de soporte última y reduce el asentamiento de las cimentaciones comparadas con suelos no reforzados. Sin embargo los beneficios de la geomalla actúan después de asentamientos considerables, por lo tanto esta técnica involucra diversos parámetros que requieren ser estudiados para obtener un mejor beneficio.

CIMENTACIONES REFORZADAS CON GEOMALLAS

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MARCO TEÓRICO.En general reforzar un suelo por medio de una inclusión consiste en colocar dicha inclusión en regiones de la matriz del suelo en donde su presencia inhiba el desarrollo de esfuerzos de resistencia a la tracción en esa región, causando una redistribución de esfuerzos y deformaciones favorables incrementando la resistencia del material compuesto y disminuyendo su compresibilidad.

El reforzamiento de suelos con geomallas es una técnica en la que una o más capas de geomallas y material de relleno son dispuestos debajo de una cimentación para crear un material compuesto con una mejor capacidad de soporte.

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Investigadores concluyen que el uso de geomallas mejora la capacidad de soporte última en suelos y reduce el asentamiento de las cimentaciones comparadas con suelos no reforzados.

Sin embargo también muestran que es necesario que la geomalla se deforme y se estire antes de que se note sus beneficios de reforzamiento, esto ocurre sólo después de un asentamiento considerable.

Esto es importante porque el diseño de una cimentación estáusualmente controlado por el asentamiento y no por la capacidad de carga última por lo que el reforzamiento con geomallas está limitado y requiere mayor investigación.

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)1(q

qBCR

u

)R(uu

=

)2(q

qBCR

)R(S

=

En donde:BCRu:Relación de capacidad de soporte con respecto a

la carga última. BCRs: Relación de la capacidad de soporte para una

asentamiento s.qu(R), q u, :Capacidad de soporte última con y sin

refuerzo respectivamente.q(R), q: Capacidad de soporte con y sin refuerzo para

un asentamiento s dado, respectivamente.

Para calificar los beneficios de refuerzo en el incremento de lacapacidad de soporte se calcula la relación de la capacidad de soporte (BCR).

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Las diferentes configuraciones de reforzamiento y las condiciones del suelo pueden resultar en diferentes modos de falla. La meta es determinar el control de los modos de falla (Wayne, et al 1998).

Figura 1. Posibles mecanismos de falla para cimentaciones reforzadas con geosintéticos. (a) Falla superficial, (b) Falla entre los reforzamientos, (c) Punzonamiento profundo a través de la zona de refuerzo, (d) Punzonamiento a lo largo de la zona reforzada.

B: ancho de la zapata

u: distancia desde la base de la zapata a la geomalla superior.

h: espaciamiento entre las capas de geomallas.

d: profundidad de reforzamiento.

b: ancho de la capa de la geomalla.

L: Largo de la geomalla.

N: número de geomallas.

B

u

Geosintético

h

d

q b

b

d

(a) (b)

(d)(c)

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La capacidad de soporte de las cimentaciones reforzadas y por lo tanto la magnitud de las relaciones BCRu y BCRs serán una función de:

- Las relaciones geométricas u/B, b/B, l/B, h/B y z/B.- Del grado de consolidación del suelo.- De la dureza relativa de la geomalla, y del coeficiente de

interacción entre el suelo y el refuerzo.

Para valores dados de u/B, b/B, z/B, l/B, h/B existe un valor máximo más allá del cual la capacidad de soporte última permanece prácticamente constante, de aquí estos valores máximos pueden ser considerados como valores críticos (cr).

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Parámetros críticos en cimentaciones en arena reforzada.

VARIACIÓN DE u/B:Das (2005) sugiere que (u/B)cr debe estar alrededor de 0.25 a 0.5 para obtener mayores beneficios. Binquet y Lee (1975) sugieren que usando u/B<2/3 se descarta la posibilidad del tipo de falla superficial .

De los resultados mostrados Guido, et al. (1969), Yetimoglu, et al. (1994) e Ismael, et al (1995) indican que u/B< 2/3 es válido para rellenos con un ángulo de fricción efectivo mayor que 30º .

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BCR versus VARIACIÓN DE u/B C de varios trabajos publicados:

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Parámetros críticos en cimentaciones en arena reforzada (continuación)

VARIACIÓN DE h/B:El valor de BCRu decrece rápidamente al incrementarse la relación h/B. Resultados similares se observaron en ensayos realizados por Guido et. al. (1987). Luego, para todos los propósitos prácticos, la relación h/B deberá ser limitado a un rango que va desde 0.25 a 0.4.

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Grafica de BCRu con h/B para una cimentación continua – u/B = 0.375; d/B =(d/B)cr ~ 2 ( después de Shin y Das, 1999)

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Parámetros críticos en cimentaciones en arena reforzada (continuación)

VARIACIÓN DE b/B, l/B:Basada en los resultados de las pruebas con modelos de laboratorio en arenas reforzadas con Geomalla, Omar et al. (1993c) sugirió la siguiente relación empírica para parámetros adimensionales:

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Variación de BCRu con b/B, usando : u/B = h/B = 0.33; d/B = (d/B)cr (Omar et. al., 1993c)

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Parámetros críticos en cimentaciones en arena reforzada (continuación)

VARIACIÓN DE d/B:Para los valores u/B, h/B y b/B, la magnitud de BCRuse incrementa con la profundidad del refuerzo ubicado debajo del fondo de cimentación,llegandoa un valor máximo cuando d/B = (d/B)cr. Omar et. al., (1993c) propusieron las siguientes relaciones:

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Comparación del valor de BCRu para pruebas realizadas con Df/B = 0 y Df/B > 0 ( Shin y Das, 2000)

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Parámetros críticos en cimentaciones en arena reforzada (continuación)VARIACIÓN DE LA RIGIDEZ DE LA GEOMALLA.

Variación de BCRu con b/B para dos Geomallas ( Guido et. al., 1987)

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CAPACIDAD DE SOPORTE ÚLTIMO PARA Df > 0

Variación de qu(R) con Df/B (Patra, Mandal, B.M. Das, 2005)

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MECANISMOS DE FALLA BAJO CARGA ÚLTIMA

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MECANISMOS DE FALLA DEL SUELO REFORZADO PROPUESTO POR SCHLOSSER ET AL (1983)

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Teorías de la capacidad de Carga.Schlosser et al., (1983) propusieron que:

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Teorías de la capacidad de Carga (continuación).

Huang y Meng (2000) realizaron un análisis mejorado para la estimación de la capacidad de soporte última en cimentaciones superficiales soportada sobre arena reforzada con Geogrid. Este análisis tomo en cuenta el mecanismo de cimentación profunda y al mecanismo de“placa ancha”

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Teorías de la capacidad de Carga (continuación).

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PAUTAS PROVISIONALES PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE EN ARENAS (DAS ET AL 2004)

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PAUTAS PROVISIONALES PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE EN ARENAS (DAS ET AL 2004)

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EJEMPLO PRÁCTICOPasos a seguir para el diseño de suelos reforzados:

Paso 1: Realizar una Investigación de campo y diseñar una sección transversal de la estructura propuesta.

Paso 2: Realizar ensayos de laboratorio para evaluar la resistencia cortante y las características de esfuerzo-deformación del suelo de cimentación.

Paso 3: Diseñar un sistema de cimentación superficial sin reforzamiento.

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Pasos para el diseño de suelos reforzados (continuación)

Paso 4: Desarrollar el diseño de la sección transversal para el caso reforzado (mínima longitud y espaciamiento del refuerzo).

Paso 5: Determinar la distribución vertical de esfuerzos en el suelo de cimentación usando la teoría elástica de Westergaard.

Paso 6: Determinar la Capacidad de soporte de un suelo reforzado.

Paso 7: Calcular el asentamiento de la cimentación usando la distribución de esfuerzos del Paso 5.

Paso 8: Determinar las propiedades del geosintético.

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Ejemplo práctico No. 1Una arcilla de rigidez media descansa sobre un depósito de arena densa. Se planifica cimentar una zapata cuadrada de 3 m de lado. La carga de diseño sobre la zapata es de 900 kN. La arcilla estánormalmente consolidada y tiene un índice de compresión (Cc) de 0.10. Determine el asentamiento de la zapata debido a la consolidación de la capa de arcilla para los casos sin reforzamiento y reforzado.

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Ejemplo práctico No. 1

SecciSeccióón transversal de la estructura propuesta.n transversal de la estructura propuesta.

B

2BB

B0.5 B

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Ejemplo práctico No. 1: Solución.Paso 1: Realizar una Investigación de campo y diseñar

una sección transversal de la estructura propuesta.Dado: Sección transversal.

Paso 2: Realizar ensayos de laboratorio. Dado: Cc= 0.10

eo= 0.685

Paso 3: Diseñar un sistema de cimentación superficial sin reforzamiento.

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Usando la distribución de esfuerzos de Boussinesqdeterminar el incremento del esfuerzo vertical en el centro de la capa de arcilla.

Usando la distribución de esfuerzos de Boussinesqdeterminar el esfuerzo vertical a Z= B= 3 m. (a media altura).Para Z = B , entonces:

σ v aplicado/ σ v media altura = 0.35

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El incremento del esfuerzo vertical a media altura de la capa de arcilla ∆σ v media altura, es determinado como sigue:

σ v media altura = 0.35 x Carga/ Área de Zapataσ v media altura = 0.35 x 900 kN/ (3 x 3 m2)

σ v media altura = 35 kPa.

Determinar el esfuerzo efectivo existente a media altura de la capa de arcilla debido al peso del suelo.

σ v o’ = 17.3x2+(17.3-9.8)x1= 42 KPa.

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Ejemplo práctico No. 1: Solución.Determinar el asentamiento por consolidación el la capa de arcilla.

)log(1 '

'

vo

alturamediavvo

o

Cce

HHσσσ ∆+

+=∆

)log()10.1(685.01

6'

'

vo

alturamediavvoHσσσ ∆+

+=∆

mmmxH 94094.0268.0356.0 ===∆

Paso 4: Desarrollar el diseño de la sección transversal caso reforzado .

Dado: Sección transversal

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Paso 5: Determinar la distribución vertical de esfuerzos: Distribución de Westergaard.Con un espesor de reforzamiento de 0.5 B, el espesor de la capa de arcilla es reducida por 0.5 B, por lo tanto:

H arcilla= 6-0.5 B = 6-1.5 = 4.5 m

La media altura de la capa de arcilla esta ahora a 2.25 m debajo del suelo reforzado. El esfuerzo vertical a media altura de la capa de arcilla, será:

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Ejemplo práctico No. 1: Solución.B

2B

B

B 1.25 B2.25 m

B

B

B

1.25 B

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σ v media altura = 0.16x Carga/ Área de Zapataσ v media altura = 0.16 x 900 kN/ (3 x 3 m2)

σ v media altura = 16 kPa.

Paso 6: Determinando el esfuerzo efectivo normal existente a media altura de la capa de arcilla debido al peso del suelo.

σ v o’ = 17.3x2+(17.3-9.8)x(1.25+2.25-2)= 48 KPa.

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Ejemplo práctico No. 1: Solución.Paso 7: Determinar el asentamiento por consolidación el

la capa de arcilla.

)log(1 '

'

vo

alturamediavvo

o

Cce

HHσσσ ∆+

+=∆

)48

1648log()10.1(685.015.4 +

+=∆H

mmmxxH 350334.01249.01.06706.2 ===∆

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Ejemplo práctico No. 1: Conclusión

La incorporación de un estrato de suelo reforzado ha reducido el asentamiento de la cimentación de 94 mm para el caso sin reforzamiento, a 35 mm para el caso reforzado.