unidad 8 estado de equilibrio plástico y empuje de tierra

7/22/2019 Unidad 8 estado de equilibrio plstico y empuje de tierra

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UNIDAD 8: ESTADO DE EQUILIBRIO PLSTICO Y EMPUJE DETIERRA.


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Estado de equilibrio:

El suelo es producto de la transformacin e interaccin de compuestos de origen

inorgnico (rocas con sus minerales) y orgnicos (desechos vegetales y animales), que

se encuentran en la superficie de la corteza terrestre, en la zona de influencia de la

litosfera, hidrosfera, biosfera y atmsfera.

Asimismo, el suelo est constituido por sustancias de tipo inorgnico y orgnico,

entremezcladas con agua y aire. En este espacio pueden adems existir organismos

vivos y podemos representarlo como un sistema abierto trifsico slido-lquido-gaseoso,

con equilibrio dinmico entre sus fases.

Cuando en un sistema, alguno de sus componentes es sometido a unamodificacin, su estado de equilibrio se ve alterado. Ante ello, todo sistema trata de

volver a un nuevo estado de equilibrio, para lo cual inicia una readecuacin permanente,

pasando sucesivos estados parciales de equilibrio en el tiempo tendentes al equilibrio

total. Se puede resumir entonces que, equilibrio es un estado constante, en el cual no se

producen cambios en un determinado tiempo.

En consecuencia, el suelo como sistema trifsico abierto, sometido a aportes y

prdidas de componentes, se readecua permanentemente a las nuevas situaciones. La

capacidad del sistema de retornar al estado de equilibrio se denomina resiliencia.

La formacin del suelo se puede resumir como una funcin de factores, de la

siguiente manera: S = f (rocas de origen, clima, organismos vegetales y animales,

accin humana, tiempo).

Es decir, la participacin de una determinada combinacin de factores induce o

favorece ciertos procesos en el suelo, los que finalmente le otorgan caractersticasmorfolgicas y funcionales particulares.


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Estado de equilibrio plstico en los suelos

El retroceso y la degradacin del suelo son dos procesos evolutivos regresivos

asociados a la prdida del equilibrio de un suelo estable. El retroceso es causado

fundamentalmente por la erosin y corresponde al fenmeno por el cual el suelo serevierte al estado original (por ejemplo, suelo desnudo). La degradacin es una

evolucin, diferente a la natural, relacionada con el clima local y la vegetacin. Es

debida al reemplazo de la vegetacin primitiva por vegetacin secundaria. Este cambio

modifica la cantidad y composicin del humus, e impacta en la formacin del suelo.

Est directamente relacionado a la actividad antrpica.

Al comienzo de la formacin de un suelo, solo aflora la roca desnuda. Esta es

gradualmente colonizada por especies pioneras (lquenes y musgos), y luego vegetacin

herbcea, arbustos y finalmente bosque. En paralelo, un horizonte con humus es

formado (llamado horizonte A), seguido por horizontes minerales (horizonte B).

Cada etapa sucesiva se caracteriza por una cierta asociacin de suelo/vegetacin y

ambiente, lo que define un ecosistema.

Despus de un cierto tiempo de evolucin paralela del suelo y la vegetacin, se

alcanza un estado de equilibrio; esta etapa del desarrollo es llamada clmax por algunos

ecologistas y potencial natural por otros. Independientemente de su nombre, la etapa

de equilibrio de la sucesin primaria es la mayor forma natural de desarrollo que los

factores ambientales son capaces de producir.

Los ciclos de evolucin de suelos tienen duraciones muy variables, entre mil

aos para suelos de evolucin rpida (solo horizonte A) y ms de un milln de aos

para suelos de desarrollo lento. El mismo suelo puede alcanzar varias condiciones de

estados de equilibrio sucesivamente durante su existencia, como se exhibe por ejemploen la secuencia del bosque pigmeo en el Condado de Mendocino, California. Los suelos

alcanzan naturalmente un estado de alta productividad, a partir del cual se degradan

naturalmente al eliminarse los nutrientes minerales del sistema del suelo. Por lo tanto,

los suelos ms antiguos son ms vulnerables a los efectos del retroceso inducido.


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Estados de equilibrio plstico de rankine:

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, caracterizado por el clmax del

ecosistema, este tiende a mantenerse estable en el curso del tiempo. La vegetacin

instalada en el suelo provee el humus y asegura la circulacin ascendente de materia;protege al suelo de la erosin en un rol de barrera (por ejemplo, lo protege del agua y

del viento); y puede tambin reducir la erosin agregando las partculas del suelo en sus

races.

Una perturbacin del clmax producir un retroceso, pero frecuentemente, una

sucesin secundaria comenzar a guiar la evolucin del sistema luego de la

perturbacin. La sucesin secundaria es mucho ms rpida que la primaria, debido a que

el suelo ya ha sido formado, aunque tambin deteriorado y con necesidad de

restauracin.

Sin embargo, cuando tiene lugar una destruccin significativa de la vegetacin

(de origen natural como una avalancha, o de origen humano), la perturbacin que sufre

el sistema es muy importante. En este caso, la erosin es responsable de la destruccin

de los horizontes ms superficiales del suelo, y origina un fenmeno de reversin a las

condiciones primitivas. Este fenmeno se llama retroceso, y puede ser parcial o total (en

este caso, el resultado es solo la roca desnuda). Por ejemplo, en un suelo inclinado,

sujeto a lluvias violentas, puede observarse la completa destruccin del suelo. El

hombre puede modificar profundamente la evolucin de los suelos por acciones directas

y brutales, como cortes abusivos, pastos forestales, rastrillajes, etc. La vegetacin del

clmax es gradualmente reemplazada y el suelo es modificado (por ejemplo, el

reemplazo de bosques de rboles frondosos por pramos o plantaciones de pinos). El

retroceso esta frecuentemente relacionado a prcticas humanas muy antiguas.


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Hiptesis y limitaciones

Esta hiptesis funciona bien en el caso de materiales frgiles (como la

fundicin). Sometida una probeta a un ensayo de traccin se comprueba que la rotura se

produce en aquellos planos donde las tensiones de traccin son mximas, entonces todas

aquellas teoras que tengan en cuenta las tensiones normales o las deformaciones

especficas asociadas sern de aplicacin.

La rotura en un elemento sometido a un estado combinado de tensiones se

alcanza cuando la mxima tensin principal normal se hace igual a la tensin de rotura

en el ensayo esttico simple.


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Estado activo y pasivo:

El estado activo ocurre cuando existe una relajacin en la masa de suelo que lo

permite moverse hacia fuera del espacio que limitaba la tensin del suelo (por ejemplo

un muro de tierra que se rompe); esto es que el suelo est fallando por extenderse. staes la presin mnima a la que el suelo puede ser sometido para que no se rompa. Al

contrario el estado pasivo ocurre cuando la masa de suelo est sometida a una fuerza

externa que lleva al suelo a la tensin lmite de confinamiento. Esta es la mxima

presin a la que puede ser sometida un suelo en el plano horizontal.

Las aplicaciones ms comunes de la teora de presiones laterales en suelos son el

diseo de estructuras cimentadas como muros de tierras, zapatas, tneles y para

determinar la friccin del terreno en la superficie de cimentaciones profundas. Para

describir la presin que un suelo puede ejercer se usa un coeficiente de presin lateral,

K. K es la relacin entre la presin lateral u horizontal respecto a la presin vertical (K

= h'/v'). Esta frmula est asumida por ser directamente proporcional y se cumple en

cualquier punto del suelo. K puede depender de las propiedades mecnicas del suelo y

de la historia tensional del suelo. Los coeficientes de presin lateral puede variar dentro

de tres categoras: presin en reposo, presin activa y presin pasiva.


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Coeficiente de empuje

En mecnica de suelos es muy habitual expresar la tensin horizontal como un

porcentaje de la vertical (normalmente ms fcil de calcular), ese porcentaje es lo que se

denomina coeficiente de empuje K.

El problema es que ese coeficiente de empuje K depende del estado del terreno

ya que, como cualquiera puede imaginar (o debera), no empuja igual un terreno en

reposo (Ko), que un terreno que est cargando contra un muro (Ka), o siendo cargado

por el muro (Kp).

Cada uno tiene su mtodo para entender las cosas, pero la pelcula de miedo que

se mont un compaero de carrera para entenderlo fue tan impactante que, aosdespus, me sigo acordando ms de su mtodo que de mi propio razonamiento, tanto,

que pese a no ser del todo correcto, cuando he tenido que explicar todo este asunto a

colegas o arquitectos con la geotecnia ms que olvidada he optado por usar su mtodo,

y la verdad es que no funciona mal del todo.


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Empuje de tierras segn la teora de rankine:

Un suelo est en estado plstico cuando se encuentra en estado de

falla incipiente generalizado. De acuerdo con lo anterior caben dos estadosplsticos: El que se tiene cuando el esfuerzo horizontal alcanza el valormnimo Ka z y el que ocurre cuando dicha presin llega al valor mximo

Kp z. Estos estados se denominan respectivamente activo y pasivo. En el

estado activo en el estado pasivo.


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Suelos granulares:

El diseo de cimientos sobre suelos granulares estar gobernado por un criterio

de asentamiento, es decir, no por la resistencia al cortante a la alta permeabilidad de las

arenas y gravas, la mayor parte del asentamiento se efectuar durante el proceso deconstruccin y estar casi completo al final de ste. Es probable que los efectos de

deformacin plstica sean despreciables, excepto en el caso de cimientos muy anchos

sobre suelos variables, o donde se tengan mezclas de arena o grava con limo.

Otros problemas de asentamientos pos construccin pueden relacionarse con

compactacin inducida por vibracin, cambios rpidos en el nivel fretico o efectos de

sismos. Tambin es virtualmente imposible obtener muestras no alteradas de suelos

granulares y las muestras recompactadas en general no repiten, con confiabilidad

alguna, las condiciones y propiedades en el campo.


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Suelos cohesivos:

Son suelos que poseen caractersticas de cohesin y plasticidad. Dichos suelos

pueden ser granulares con parte de arcilla o limo orgnico, que les importen cohesin y

plasticidad, o pueden ser arcillas o limos orgnicos sin componentes granulares.

Suelos cohesivos (arcillas, y en menor medida los limos): los granos no son

independientes entre s, sino que estn unidos por enlaces qumicos, por lo que el suelo

tiene cohesin, siendo su ngulo de rozamiento interno ms bajo (20). Son terrenos que

apenas drenan, son bastante impermeables, y por ello cuando se les carga, van sufriendo

un asiento diferido en el tiempo, a medida que van expulsando el agua que tienen

embebida, proceso que puede durar aos. Es por esto ltimo que son peores suelos de

cimentacin que los granulares, menos fiables y predecibles.


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EMPUJE DE TIERRAS SEGN LA TEORA DE COULOMB:

Las teoras fundamentales para el clculo de la presin lateral detierra se presentaron anteriormente. Para usar esas teoras en el diseo, uningeniero debe hacer varias suposiciones simples. En el caso de muros envoladizo, el uso de la teora de la presin de Rankine para revisiones deestabilidad, implica dibujar una lnea vertical AB por el punto A, (que selocaliza en el borde del taln de la losa de base). Se supone que lacondicin activa de Rankine existe a lo largo del plano vertical AB. Lasecuaciones de la presin activa de tierra de Rankine entonces se usan paracalcular la presin lateral sobre la cara AB. En el anlisis de estabilidad delmuro, deben tomarse en consideracin la fuerza Pa (Ranking), el peso, Ws,del suelo arriba del taln y el peso, We, del concreto. La hiptesis para eldesarrollo de la presin activa de Rankine a lo largo de la cara frontal AB

es tericamente correcta si la zona de cortante limitada por la lnea AC noes obstruida por el cuerpo del muro. El ngulo, lj, que la lnea AC formacon la vertical es:
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TEORA DE COULOMB:

Fue el primero en estudiar el problema de las presiones laterales delterreno y estructuras de retencin. Coulomb se limit a usar la teora de

equilibrio que considera que un bloque de terreno en rotura como uncuerpo libre (o sea en movimiento) para determinar la presin laterallimitante. La presin limitante horizontal en fallo en extensin ocompresin se determinan a partir de Ka y Kp respectivamente.


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CUA DE FALLA:

En suelos, los desprendimientos son causados por socavacin detaludes debido a la accin del hombre o erosin de quebradas. En macizos

rocosos son causados por socavacin debido a la erosin. En algunos casoslos desprendimientos son el resultado de meteorizacin diferencial. Losdesprendimientos se producen comnmente en taludes verticales o casiverticales en suelos dbiles a moderadamente fuertes y en macizos rocososfracturados. Generalmente, antes de la falla ocurre un desplazamiento, elcual puede ser identificado por la presencia de grietas de tensin.


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MTODO DEL CRCULO:

Es una de las tcnicas ms utilizadas en teora de nmeros analtica.Sus creadores fueron G. H. Hardy y J. E. Littlewood, quienes desarrollaron

este en una serie de trabajos sobre el problema de Waring.La idea inicial es usualmente atribuda al trabajo de Hardy con

Srinivasa Ramanujan, los cuales trabajaron aos antes en asntotas de lafuncin particin. Esta empieza a desarrollarse con muchos otrosinvestigadores, incluyendo Harold Davenport y I. M. Vinogradov, quienesmodificaron la formulacin sigilosamente (trasladndola del anlisiscomplejo a sumas exponenciales), sin cambiar de rumbo las ideas iniciales.A esto le siguieron cientos de trabajos, los cuales concluyeron en el mtodo

que ahora se conoce. Este mtodo fue objeto de una monografa de R. C.Vaughan.


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EFECTOS DE SOBRECARGA:

Cuando la capa del suelo sufre efecto de una sobrecarga, ella sedeforma y en consecuencia da la disminucin de su ndice de vacos (e0)

hacia un valor final (ef) motivado por su compresibilidad. Su espesor pasapor tanto desde un valor inicial de H0 a un valor final Hf cuya diferencia(H = H0 Hf), corresponde al asentamiento total sufrido.

Cuando la carga traspasa la tensin de pre-densificacin elasentamiento se calcula en dos etapas: de la tensin existente hasta latensin de pre-densificacin y desde la tensin de pre-densificacin hasta latensin final resultante de la carga.


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EFECTOS DEL AGUA:

La comprensin del ciclo hidrolgico es esencial para el manejoeficiente del agua de lluvia y del agua del suelo. El agua ocurre no solo en

forma lquida sino tambin en forma slida -granizo, nieve- y en formagaseosa -vapor de agua. La cantidad de agua en el mundo es constante peroel agua est continuamente cambiando de una forma a otra y se mueve adiferentes velocidades.

El calor del sol es la causa de que el agua en la superficie de losocanos, lagos y ros cambie al estado de vapor en el proceso conocidocomo evaporacin. La transpiracin de las plantas es un proceso similar enel cual el agua es absorbida del suelo por las races y transportada por el

tallo a las hojas de donde pasa -es transpirada- bajo forma de vapor de aguaa la atmsfera.

El agua subterrnea se mueve en forma lateral y lentamente hacia elmar para completar el ciclo hidrolgico pero parte de esta en su caminofiltrar hacia arroyos, ros y lagos. De esta forma el agua subterrneamantiene el nivel del agua en los pozos y la continuidad de las corrientes deagua durante los perodos secos (conocidos como flujo de base).

El agua de lluvia que escorre sobre la tierra se mueve rpidamenteaguas abajo hacia los cursos de agua contribuyendo a flujos mximos quesiempre son motivo de preocupacin. La escorrenta no es solamente undesperdicio del agua de lluvia que poda haber contribuido a la produccinde cultivos y a reabastecer las aguas subterrneas sino que adems,frecuentemente, causa inundaciones o daa los caminos y las tierrasagrcolas, erosiona el suelo que a su vez es depositado en el curso de losros y estanques aguas abajo.

El agua subterrnea deriva del agua de lluvia que se ha infiltrado enel suelo y drenado ms abajo de la zona radical; es el agua en exceso de lacantidad necesaria para los cultivos y otra vegetacin y sobrepasa lacapacidad de almacenamiento de agua del suelo (FAO, 1995; FAO, 2002).

El agua subterrnea se mueve muy lentamente a travs de losmateriales del subsuelo en direccin del curso de drenaje dominante. Si la

parte superior de la misma, la capa fretica, no se sumerge por debajo del

nivel del lecho de la corriente, el agua aparece en surgentes que alimentan


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las corrientes de agua y sus tributarios. Este proceso ocurre durante todo elao y de esta manera el agua subterrnea acta como amortiguador paramantener el flujo bsico de la corriente y los niveles de agua en los pozosdurante los perodos secos.


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MUROS DE SOSTENIMIENTO:

Es frecuente encontrarse con el problema de tener que establecer dosniveles geomtricos deservicio a distinta cota y prximos entre s. Este

desnivel puede establecerse de modo suavizado mediante un talud, o bienpuede obtenerse disponiendo un cambio brusco con discontinuidad vertical.Esta ltima solucin se impone frecuentemente debido a la prdida deespacio que supone la ejecucin de un talud, o por las condiciones deseguridad para las obras situadas en el nivel superior. El terreno superficialno suele tener, en general, resistencia suficiente para soportar unadiscontinuidad vertical, por lo que se hace necesario disponer de una obrade fbrica, o de hormign entre los dos niveles de servicio que asegure la

resistencia y el funcionamiento del conjunto. La misin del muro, por tantoes servir de elemento de contencin de un terreno, que en ocasiones es unterreno natural y en otras un relleno artificial, o de elemento de contencinde un material almacenable. Adems, en ciertos casos el muro desempeauna segunda misin, que es la de transmitir cargas verticales al terreno,desempeando tambin la funcin de cimiento.

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