geotecnia parte 1 basicos de mecanica de suelos relator: carlos peÑa l. fecha: junio 2014 geotecnia...

RELATOR: CARLOS PEÑA L. FECHA: JUNIO 2014

El material que a continuación se presenta ha sido desarroll ado con el único fin de apoyar la labor deIngenieros Estructurales que cuenten con sólidos conocimi entos en el tema del diseño estructural sismo-resistente de acuerdo con la normativa nacional vigente y al estado del arte actual de la profesión.

© Queda prohibida la reproducción parcial o total del materi al que a continuación se presenta sin laaprobación formal de P&M Structural / Seismic Engineering.

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CARLOS PEÑA LÓ[email protected] ,

www.pymse.com .

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PARTE 1


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CONCEPTOS BASICOS DE MECANICA DE SUELOS


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Entre los valores básicos que caracterizan los Suelos de Fundación desde el puntode vista que el diseño estructural requiere, se encuentran los siguientes:

- Capacidad Soportante del Suelo o Tensión de contacto admisible.- Coeficiente de balasto vertical y/o horizontal.- Angulo de fricción interna y cohesión.- Clasificación sísmica de acuerdo con NCh2369 y/o NCh433.

Es muy importante entender que las propiedades que se utilizan para el diseñoestructural no necesariamente corresponden a aquellas medidas en ensayos delaboratorio o «in situ» que puedan considerarse representativas. Al igual que en lagran mayoría de los valores que se utilizan en diseño estructural es necesarioconocer la posible variabilidad de las propiedades y utilizar valores suficientementeconservadores para cada caso, de forma de no incurrir en riesgos que no seanestrictamente necesarios.

En todos los casos, debe considerarse que si bien para variaciones pequeñas todapropiedad resulta linealizable, el suelo es un material intrínsecamente no lineal einelástico.

Valores para diseño y linealidad


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En líneas generales el módulo de corte G es el valor que mejor caracteriza a un tipode suelo desde el punto de vista de su rigidez, ya que es principalmente con estedato con el que se evalúan todas las características mecánicas de un suelo que sonrequeridas para los diseños.El problema se presenta al reconocer la variabilidad de este valor, ya que dependedirectamente del nivel de deformaciones con que se trabaje. Así, el Gmax o G0corresponde a un nivel de deformación de corte casi nulo, y el Gmin corresponde adeformaciones muy grandes.Cuando se evalúan deformaciones estáticas, o incluso asentamientos diferidos en eltiempo, tiende a utilizarse un valor intermedio de G, del orden de 0.5 G0. Pero cuandose evalúa comportamiento vibratorio, el objetivo mismo del diseño es que lasamplitudes de deformación sean lo más pequeñas posibles, de manera que el valoradecuado de G para este tipo de cálculo es un valor cercano al G0, preferentementeno menor que 0.7 G0.


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Módulo de corte G


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VALORES REFERENCIALES DE G PARA BAJAS DEFORMACIONES

Es importante precisar que el amortiguamiento total del sistema fundación-suelo secompone de dos valores que tienen diferentes orígenes.

Amortiguamiento geométrico: Es el que depende de la forma de la fundaciónprincipalmente. Se estima a través de la ecuaciones típicas.Amortiguamiento inherente: Es un valor tradicionalmente definido por la mecánica desuelos. Se relaciona con las características propias del suelo y es independiente delas solicitaciones o forma de la fundación.

El amortiguamiento total es la suma de estos dos valores. En general, elamortiguamiento geométrico resulta muy superior al amortiguamiento inherente, másaún cuando se corrige por efectos de enterramiento. Por esta razón y por lo complejoque resulta en ocasiones obtener este valor, es que en la práctica suele despreciarseel amortiguamiento inherente.

Al igual que en el caso de G, el amortiguamiento depende fuertemente del nivel dedeformaciones de corte, debido a la alta inelasticidad del suelo.


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Amortiguamiento D


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VALORES REFERENCIALES DE AMORTIGUAMIENTO INHERENTE


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Niveles de deformación γ


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Variación de G y D en función de γmax


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FORMA GENERICA DE CURVAS DE VARIACION DE MODULO DE CORTE Y AMORTIGUAMIENTO INHERENTE


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CURVAS DE VARIACION DE MODULO DE CORTE PARA ARENAS EN FUNCION DE LA PRESION DE CONFINAMIENTO


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Angulo de fricción interna φ

CAPACIDAD DE SOPORTE


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Existen varias teorías y criterios bastante acabados para definir la capacidad desoporte de los suelos desde el punto de vista de la resistencia o falla por rompimientodel material. En la mayoría de los casos los valores obtenidos de esta forma resultanbastante elevados en comparación a aquellos que usualmente pueden encontrarseen los Informes de Mecánica de Suelos de cada proyecto en específico.

Lo anterior obedece a que como en todo elemento estructural el suelo cuenta conuna resistencia y una rigidez definidas que limitan las cargas que pueden tolerarse debuena forma. Desde el punto de vista de la rigidez, se ha definido que el máximoasentamiento tolerable de un sello de fundación corresponde a 1inch (25.4mm), loque para el caso de suelos resistentes limita fuertemente el valor máximo de lastensiones de contacto a nivel de trabajo. Es importante entender que esteasentamiento «admisible» corresponde a un total plástico de largo plazo(deformaciones diferidas en el tiempo) y no a una deformación elástica instantánea.

Resistencia y rigidez


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( )

===

"1min

"1 δqqrigidezFS

qaresistenciqult

adm


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Falla general por corte

En suelos densos, cuando la carga solicitante alcanza el valor qu tiene lugar una fallarepentina en el suelo que soporta a la fundación y la zona de falla en el suelo seextiende hasta la superficie del terreno.


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Falla local por corte

Si el suelo se encuentra sólo medianamente compactado. Cuando la carga alcanza elvalor qu(1) (carga de primera falla) se producen sacudidas repentinas. Se requiere unasentamiento considerable a partir de este punto para que la zona de falla seextienda desde el borde de la fundación hasta la superficie del terreno alcanzando elvalor qu.


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Falla de corte por punzonamiento

Si el suelo se encuentra suelto. La zona de falla no se extenderá hasta la superficiedel terreno. En este caso, una vez alcanzado qu, el asentamiento aumenta sin unincremento considerable de resistencia.


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Tipo de falla probable


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Idealización del equilibrio límite


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Zona I Equilibrio elásticoZona II Estado de corte radialZona III Estado pasivo de Rankine


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Capacidad resistente


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Para la evaluación de fallas locales esnecesario corregir tanto el valor de lacohesión como el ángulo de fricción internade diseño.


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Suelos no Cohesivos o puramente Cohesivos


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Efecto del agua


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qult, Capacidad bruta de rotura del suelo.qadm, Tensión admisible de contacto con el suelo.q, Carga vertical «original» a nivel del sello de fundación (en campo libre).

En general q = γ Df.qadm neto, Tensión admisible por sobre el valor de «q».FS, Factor de seguridad. En ambos casos debe ser al menos 3.

En fundaciones superficiales (Df pequeño) la ganancia por efecto de enterramiento(q, qNq) no resulta relevante para el diseño. Sin embargo, al aumentar elenterramiento las diferencias comienzan a ser notorias.

El uso de un qadm definido de manera independiente de la profundidad y evaluado aniveles de enterramiento mínimo causa que en algunos casos para sellos defundación considerables el suelo no se «autosoporte» ( γDf > qadm ), yconsecuentemente no es posible disponer de una capacidad de contacto razonable.

Factor de seguridad


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FS

qqq

FS

qq ult

netoadmult

adm

−==


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Efecto Sísmico


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Capacidad a partir de SPTEl ensayo in situ más comúnmente utilizado en Chile (y en gran parte del mundo)para medir las propiedades mecánicas del terreno es el SPT (Ensayo de PenetraciónEstándar). Básicamente se trata de la hinca de un tubo a través de golpes de unmartinete de cada libre. Se registra el número de golpes que se requiere parapenetrar 15cm en una capa de suelo dada. En general, el valor medido en terreno«N» requiere ser corregido o normalizado a un valor «(N1)60» de referencia.


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A continuación se presentan los factores de corrección más comunes para el ensayo.

( ) 60601 NCN N=

CN, corrección porconfinamiento.CE, corrección por energía.CB, corrección por diámetro.CS, corrección porpresencia de liner.

En Chile es usual:CB ≈ 1.0CE CB CS ≈ 1.0N60 ≈ N

Pa = 1 kg/cm2

σ’vo, presión vertical efectiva


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Capacidad admisible en arenas

Las curvas presentadas corresponden a la relación entre la capacidad de soporteadmisible para fundaciones poco profundas en arenas y el ensayo SPT corregido(N1). Notar las limitaciones impuestas por el criterio de asentamiento máximo.


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Tensiones admisibles

En la páginas siguientes se recopilan algunas tablas que entregan valores usualespara las tensiones admisibles de distintos tipos de suelos de acuerdo a unaclasificación cualitativa de los mismos.

Si bien estos valores pueden diferir con los resultados de Informes de Mecánica deSuelos para proyectos específicos, constituyen valores de referencia suficientementerobustos para casos en que no se cuente con mayores detalles.


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FUNDACIONES SUPERFICIALES


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Cuando se requiere modelar la rigidez elástica de un suelo con la finalidad de evaluaresfuerzos inducidos en las fundaciones o estructuras bajo cargas de trabajo(interacción suelo-estructura), es necesario utilizar un Coeficiente de Balasto oMódulo de Winkler representativo de una respuesta consistente con este fin.

Consecuentemente, para este propósito en particular, no resulta correcto utilizar unvalor de la rigidez del suelo que ha sido determinado con la intensión de controlar ylimitar los asentamientos máximos esperados en el largo plazo. En específico, unvalor de este tipo puede resultar muy bajo para los fines perseguidos.

Ha partir de trabajos de Terzaghi y otros (en diferentes épocas), se ha generado unatabla que relaciona la Tensión Admisible del suelo con el Módulo de Balasto a usar ensuperficies considerables con el fin de modelar la interacción suelo-estructura. Lasiguiente tabla se ha extraído de la Tesis de Maestría de Nelson Morrison«Interacción Suelo-Estructuras: Semi-espacio de Winkler», Universidad Politécnicade Cataluña, Barcelona-España, 1993.

Resistencia y deformación


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En la página siguiente se presenta una figura que muestra los 6 tipos de movimientosde cuerpo rígido que puede experimentar una fundación. Cada uno de estosmovimientos ejerce una acción clara y definida sobre el sello de fundación (superficiede apoyo máxima sobre el suelo).

- Traslación en X e Y � Deslizamiento horizontal- Traslación en Z � Compresión-Tracción directa- Giro en torno a X e Y � Momento flexural- Giro en torno a Z � Deslizamiento torsional

De estos movimientos, es usual asumir que los deslizamientos horizontales ytorsional se encuentran impedidos por el confinamiento que produce el suelo querodea a la fundación, efecto que aumenta con el enterramiento. Por el contrario, losmomentos flexurales y la compresión directa originan tensiones de compresión sobreel sello de fundación, por lo que resulta importante estudiar su efecto conjunto a finde garantizar no sobrepasar el valor máximo aceptable.

Direcciones de Solicitación


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La obtención de la tensión máxima de contacto bajo una fundación rectangular rígiday apoyada sobre un medio elástico resulta trivial en el caso en que las cuatroesquinas se encuentren apoyadas.

Fundaciones Biaxiales


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-,500

-,400

-,300

-,200

-,100

,000

,100

,200

,300

,400

,500

-,500 -,400 -,300 -,200 -,100 ,000 ,100 ,200 ,300 ,400 ,500


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Debido a que el sello de fundación no acepta tensiones netas de tracción, ladeterminación tanto del área apoyada como de la tensión máxima de contacto paracondiciones de levantamiento parcial conduce a un problema laborioso.

La figura siguiente indica el número de esquinas apoyadas de una fundaciónrectangular de acuerdo con la región en que se ubique la compresión resultante.Notar la simetría en octantes en relación a las excentricidades normalizadas.


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b y c, son las distancias normalizadas (de acuerdo a los lados de la fundación) entrela curva y los ejes. Debido a que b y c son «intercambiables» entre sí, y ademáspueden ser positivas o negativas, la relación presentada entrega las 8 curvas quecompletan el gráfico.

La curva que separa lazona 2 de la 3 es lasiguiente.

a = [0 a 1]


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Una ves definida la ubicación de la resultante de compresiones y establecida lacondición de levantamiento parcial. Lo que sigue es definir una constitutiva (relacióntensión-deformación) para el suelo. Lo más común es que esta relación sea lineal.Sin embargo la existencia de solución del problema no se encuentra condicionada aeste hecho.

Al considerar la forma del área apoyada que resulte (plano xy) y la magnitud de latensión en cada punto (dirección z), podemos visualizar como se forma un sólido detres dimensiones bajo la fundación. Las condiciones de equilibrio del sistema sonentonces: El volumen del sólido (área x tensión = fuerza) debe ser coincidente con elvalor de la compresión solicitante, y la ubicación del centro de gravedad del sólidodebe estar en la misma vertical que la compresión solicitante (considerando la dobleexcentricidad).

La solución numérica de la condición anterior resulta laboriosa. Sin embargo existenalgunos desarrollos que simplifican el problema o que entregan solucionesaproximadas a partir de ábacos.

A continuación se presentan las soluciones más utilizadas en la práctica.


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SOLUCION PARA LOS 4 CASOS POR MEDIO DE ABACOS


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SOLUCION DE IRLES – 3 ESQUINAS LEVANTADAS


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SOLUCION DE IRLES – 2 ESQUINAS LEVANTADAS


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SOLUCION DE IRLES – 1 ESQUINAS LEVANTADA


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Resolver (Pol. Grado 9)

Luego de descartar las soluciones no posibles, probar las restantes calculando u(v),α(v), β(v), y confirmar la condición inicial.


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SOLUCION DE WILSON – 3 ESQUINAS APOYADAS


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SOLUCION DE WILSON – 2 ESQUINAS APOYADAS


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SOLUCION DE WILSON – 1 ESQUINA APOYADA


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SOLUCION PARA DIFERENTES DISTRIBUCIONES DE PRESION


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- Foundation Analysis and Design, Bowles.- Geotechnical Engineering - Principles and Practices of Soil Mechanics And

Foundation Engineering, V.N.S. Murthy.- Manual de Carreteras 2013, Vol. N°3, Dirección de Vialidad MOP.- Explicit Stresses under Rectangular Footings, R. Irles and F. Irles.- Bearing Pressures for Rectangular Footings with Biaxial Uplift, Kenneth E. Wilson.- Ingeniería de Cimentaciones, Peck, Hanson y Thornburn.- Presiones en zapatas rígidas de forma arbitraria sometidas a carga axial

excéntrica, J. A. Rodríguez-Gutiérrez y J. Darío Aristizabal-Ochoa.- Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das.


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REFERENCIAS

- Clasificación de Suelos.- Fundaciones profundas.- Asentamientos instantáneos y diferidos.- Distribución de presiones en profundidad.- Estabilidad de Taludes.- Muros anclados.- Sostenimiento de excavaciones.


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TEMAS PENDIENTES

MUCHAS GRACIAS !!!


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CARLOS PEÑA LÓ[email protected] ,

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