1a-Mecanica Suelo.pdf

CONCEPTOS GENERALES DE LA MECÁNICA DEL SUELO MAST MA STER EN REH REHABIL ABILIT ITAC AC IÓN A RQUITECTONIC RQUITECTONIC A.- INSPECC INSPECC IÓN Y RECALCE RECA LCE DE LAS LAS CIMENTACIONES CIMENTAC IONES

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CONCEPTOS GENERALES DE LA MECÁNICA DEL SUELO JUAN PÉREZ VALCÁRCEL Catedrático de Estructuras E.T.S.A. de La Coruña

E.T E.T.S. .S. ARQUITECT ARQUITECTUR URA A DE A C O RUÑA RUÑA – DEPART DEPARTAMENTO AMENTO DE TECNO LO GÍA DE LA LA C ONSTRU ONSTRUC C C IÓN – J uan Pérez Pé rez Valcárcel Valcá rcel

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INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DEL SUELO 

Conceptos Conceptos generales generales..



Propiedades Propiedades físicas. físicas.



Propiedades Propiedades mecánicas. mecánicas.



Empujes.

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CLASIFICACIÓN DE SUELOS CARACTERÍSTICAS ORGANOLÉPTICAS Gravas

Partículas visibles y gruesas $ 2 mm

 Arenas

Partículas visibles y finas < 2 mm

Limos

Partículas no visibles y tacto áspero

 Arcillas

Partículas no visibles y tacto suave suave

CLASIFICACIONES NORMALIZADAS DE SUELOS

CLASIFICACION NORMA DIN(4022)  ARCILLA

LIMO MEDIO

FINO 0,002

0,006

GR UE SO 0 ,02

 ARENA MEDIA

FINA 0, 06

0 ,2

G RU ESA 0,6

GRAVA MEDI A

F INA 2

6

PIEDRA

G RU ESA 20

60

CLASIFICACION M.I.T y NORMAS BRITANICAS  ARCILLA

LIMO MEDIO

FINO 0,002

0,006

GRUESO 0,02

 ARENA MEDIA

FINA 0,06

0 ,2

GRAVA

G RU ESA 0,6

2

CLASIFICACION A.S.T.M  ARCILLA

 ARENA

LIMO

FINA

0 ,005

0,0 5

GRAVA

GRUESA 0,25

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DIFERENCIAS ENTRE GRAVAS Y ARENAS Gravas (>2 mm)

Arenas (entre 0,006 y 2 mm)

Los granos no se apelmazan aunque estén húmedos, debido a la pequeñez de las tensiones capilares.

Los granos se apelmazan si están húmedos, debido a la importancia de las tensiones capilares.

Cuando el gradiente hidráulico es mayor que 1, se produce en ellas flujo turbulento.

No se suele producir en ellas flujo turbulento aunque el gradiente hidráulico sea mayor que 1.

DIFERENCIA ENTRE ARENAS Y LIMOS Arenas (entre 0,06 y 2 mm) Partículas Partículas vi sibles. En general general no plásticas. Los terrenos secos tienen una ligera cohesión, pero se reducen a polvo fácilmente entre los dedos. Fácilmente Fácilmente erosionadas por el viento. Fácilmente arenadas mediante bombeo. Los asientos de las construcciones realizadas sobre ellas suelen estar terminados al acabar acabar la constru cción.

Limos (entre 0,002 y 0,06 mm) Partículas Partículas invi sibles. En general, algo plásticos. Los terrenos secos tienen una cohesión apreciable, pero se pueden reducir a polvo con lo s dedos. Difícilmente erosionados erosionados por el v iento. Casi imposible de drenar mediante bombeo. Los asientos suelen continuar después de acabada acabada la construcción.

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DIFERENCIA ENTRE LIMOS Y ARCILLAS Limos (entre 0,002 y 0,06 mm)

Arcillas (< 0,002 mm)

No suelen tener propiedades coloi dales.

Suelen tener propiedades coloidales.

 A par ti r de 0,002 mm , y a med id a qu e aumenta el tamaño de las partículas, se va haciendo cada vez mayor la proporción d e minerales no arcillosos.

Consisten en su mayor minerales arcillo sos.

parte

en

Tacto suave. Se secan lentamente y se pegan a los dedos.

Tacto áspero. Se secan con relativa rapidez y no se pegan a los dedos.

Los terrones secos se pueden partir, pero no reducir a polvo con los dedos.

Los terrones secos tienen una cohesión apreciable, pero se pueden reducir a polvo con los dedos

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PROPIEDADES DE TERRENOS REALES Tipo de terreno

Porosidad n (%)

Indice huecos e

Humedad natural ω (%)

Densidad seca γd (T/m3)

Densidad húmeda γ (T/m3)

Arena suelta

43

0,76

29

1,51

1,94

Arena densa

32

0,47

17

1,80

2,12

Zahorra

22

0,30

12

2,05

2,28

Arcilla muy blanda

60

1,67

62

1,08

1,34

Arcilla blanda

55

1,55

55

1,22

1,76

Arcilla semi-compacta

45

0,90

35

1,47

1,92

Arcilla compacta

43

0,87

32

1,45

1,89

Arcilla muy compacta

40

0,74

27

1,61

2,01

Arcilla dura

33

0,61

22

1,80

2,13

-

0,87

-

1,35

-

82

14

1.650

0,040

1,04

10-2

-

-

-

-

34

-

-

-

2,33

Loes yesífero Turba Hormigón Margas

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PROPIEDADES DE TERRENOS REALES Tipo de terreno

Porosidad n (%)

Indice de huecos e

Humedad natural ω (%)

Densidad seca γd (T/m3)

Densidad húmeda γ (T/m3)

Arenas de granulometría cerrada poco compactas

46

0,85

32

1,43

1,89

Arenas de granulometría cerrada compactas

34

0,51

19

1,75

2,09

Arenas de granulometría abierta poco compactas

40

0,67

25

1,59

1,99

Arenas de granulometría abierta compactas

30

0,43

16

1,86

2,16

Arcilla glaciar blanda

55

1,20

45

-

1,77

Arcilla glaciar dura

37

0,60

22

-

2,07

Bentonita blanda

84

5,20

194

-

1,27

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PROPIEDADES FÍSICAS DEL SUELO: PESOS ESPECÍFICOS. N.F. Vg

Gas (aire)

Gg

Vl

Líquido (agua)

Gl

V

h

Vs

Vs

Sólido

Gs

E=V. γ l Gs

-Peso específico de las partículas.- Entre 25 kN/m3 y 28 kN/m3 Gs ρ ' Vs -Peso específico del suelo natural.-Entre 15 kN/m3 y 21 kN/m3 Gs % Gl γn ' V -Peso específico del suelo desecado.- Entre 13 kN/m3 y 19 kN/m3 Gs γd ' V -Peso específico del suelo saturado.- Entre 16 kN/m3 y 21 kN/m3 Gs % Vh @ γl γsat ' V -Peso específico del suelo anegado.- Entre 6 kN/m3 y 11 kN/m3 Gs & Vs @ γl γa ' V E.T.S. ARQUITECTURA DE A CORUÑA – DEPARTAMENTO DE TECNO LOGÍA DE LA C ONSTRUCCIÓN – J uan Pérez Valcárcel

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CONCEPTOS GENERALES DE LA MECÁNICA DEL SUELO

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MASTER EN REHABILITAC IÓN A RQUITECTONIC A.- INSPECC IÓN Y RECALCE DE LAS CIMENTACIONES

PROPIEDADES FÍSICAS DEL SUELO En un estrato de terreno se producen estos pesos específicos. En la parte superior el peso específico del terreno es el de terreno natural . Bajo el nivel freático es terreno está sumergido en agua, por lo que su peso específico será el anegado. Zona sobre el nivel freático en la que el agua sube por capilaridad y satura totalmente el terreno. El peso específico es el saturado.

Superficie γ n

N.F.

γ 

sat

γ a

Estrato firme

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Porosidad e índice de poros. Definimos la porosidad n como la razón entre el volumen de huecos y el volumen total de la muestra e índice de poros e como la razón entre el volumen de huecos y el volumen de la parte sólida n

'

Vh V

e

'

Vh Vs

Relaciones entre porosidad e índice de huecos. n

'

Vh V

'

e

'

Vh Vs

'

Vh Vs

%

Vh

Vh V & Vh

'

'

Vh /Vs 1 % V h /Vs Vh /V 1 & Vh /V

'

'

e 1

%

e

n 1

&

n

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PROPIEDADES FÍSICAS DEL SUELO: GRANULOMETRÍA. GRAVA

 ARENA

LIMO

ARCILLA

00

P E D %

O N E M O R T E M ÁI D E D S A L U CÍ T R A

E U Q R

90 80 70 60 50 1

40

2

3

4

5

6

7

8

30 O D A CI D NI L E

20 10 0

0 5

100

0 4

0 3

0 2

5

10

4

3

2

.5 0

1

.4 0

.3 0

.2 0

0.1 0

5 0.

4 0. 0

3 0. 0

2 0. 0

0.01

5 0 0. 0

4 0 0. 0

3 0 0. 0

2 0 0. 0

0.001

DIÁMETRO DE LAS PARTÍCULAS, en mm.

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PROPIEDADES FÍSICAS DEL SUELO: GRANULOMETRÍA. GRAVA

LIMO

 ARENA

ARCILLA

00 90 80 70 60 50 40 30 20 10 D 60

0 100

0 5

0 4

0 3

0 2

10

5

4

3

2

1

Coeficiente de uniformidad Cu =

Si Cu

D 30 5. 0

4. 0

3. 0

2. 0

0.1

D 10 5 0. 0

4 0. 0

3 0. 0

2 0. 0

0.01

5 0 0. 0

4 0 0. 0

3 0 0. 0

0

2 0 0.

0.001

D 60 D10

4 (suelo uniforme)

Contenido de finos.- % que pasa por el tamiz 200 de A.S.T.M. (0,075mm) Mide la dificultad de expulsión de agua bajo esfuerzo. E.T.S. ARQUITECTURA DE A CORUÑA – DEPARTAMENTO DE TECNO LOGÍA DE LA C ONSTRUCCIÓN – J uan Pérez Valcárcel

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HUMEDAD DEL SUELO. Contenido de humedad

'

Peso del agua (en %) Peso del suelo desecado

Grado de saturación ' Volumen de huecos llenos de agua (en %) Volumen total de huecos

Grado de saturación de las arenas Clasificación

Grado de saturación (%)

Seca

0

Ligeramente húmeda

1 - 25

Húmeda

25 - 50

Muy húmeda

50 - 75

Mojada

75 - 99

Totalmente saturada

100

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Formulaciones sencillas para los pesos específicos aparentes.

-Peso específico del suelo desecado. γd '

Gs V

Gs

'

Vs% Vh

'

Gs/Vs

'

1% Vh/Vs

ρ

1% e

-Peso específico del suelo saturado. γsat '

Gs% Vh@γl Vs% Vh

'

Gs/Vs% Vh/Vs 1% Vh/Vs

-Peso específico del suelo sumergido. Gs& Vs@γl Gs/Vs& 1 γa '

Vs% Vh

'

'

1% Vh/Vs

'

ρ& 1

1% e

ρ% e

1% e

' γd  &

' γd %

e 1% e

1 1% e

- Peso específico del suelo natural con un grado de saturación gs. γn '

Gs% Gl Vs% Vh

'

Gs% gs@Vh Vs% Vh

'

Gs/Vs% gs@Vh/Vs 1% Vh/Vs

'

ρ% gs@e

1% e

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Formulaciones sencillas para los pesos específicos aparentes. Datos

ρ, γ n

ρ, γ d

ρ

ρ

ρ

γ n

γn

ρ (γn

γ d

γ sat

ρ

ρ (γn

ρ

e

gs

γd

( γn

)

γd

γd

1

γd

γn

ρ

γn

gs

γd

γn γd

γd

ρ

ρ

γd)

γn

γd

gs ρ γs

gs

ρ

gs )

gs )

γn gs

gs (ρ

γd

γ n, γ d

gs γn

1

gs

( γn

γd γd)

Estas formulaciones son inadecuadas para los suelos de limo y arcilla en los que el contenido de humedad altera profundamente el comportamiento de los mismos. En los terrenos coherentes se prefiere hablar de consistencia. E.T.S. ARQUITECTURA DE A CORUÑA – DEPARTAMENTO DE TECNO LOGÍA DE LA C ONSTRUCCIÓN – J uan Pérez Valcárcel

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CONSISTENCIA EN SUELOS.- LÍMITES DE ATTERBERG. CONSISTENCIA Sólida Límite de retracción Ws

9

Semisólida

9

Límite plástico Wp

Plástica

9

Líquida

Límite líquido WL

LÍMITE RETRACCIÓN → Humedad del suelo saturado con volumen mínimo. Ws =

e 1 1 = − ρ γD ρ

LÍMITE PLÁSTICO → Humedad del suelo que permite rodar cilindros de 3mm de diámetro sin que se desmoronen. LÍMITE LÍQUIDO → Humedad del suelo que hace que se unan los b ordes de la muestra tras 25 golpes en la cuchara de Casagrande. INDICE DE PLASTICIDAD.-

Ip=WL-Wp

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CONSISTENCIA EN SUELOS.- LÍMITES DE ATTERBERG. CONSISTENCIA

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CUCHARA DE CASAGRANDE.

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GRÁFICO DE PLASTICIDAD DE CASAGRANDE.

60

19

GRÁFICO DE PLASTICIDAD DE CASAGRANDE  Arcillas muy plásticas

50  Arcillas poco plásticas 40

  )   2  0   L   W   (  .  3   0  7   =    p   l

30 d a di ci t s al p e d e ci d nÍ

Limos muy compresibles

10 Limos poco compresibles

CL-ML 0

0

0 1

0 2

0 3

0 4

0 5

0 6

0 7

0 8

0 9

0 0 1

Límite líquido

Definición de suelos G = grava S = arena M = limo C = arcilla

20

(Gravel) (Sand) (Moh) (Clay)

W = bien graduado P = mal graduado H = alta plasticidad L = baja plasticidad O = orgánico

(Well) (Poor) (High) (Low) (Organic)

Combinando letras se puede definir un suelo. Así GC indica un mezcla de grava y arcilla o CL una arcilla poco plástica. E.T.S. ARQUITECTURA DE A CORUÑA – DEPARTAMENTO DE TECNO LOGÍA DE LA C ONSTRUCCIÓN – J uan Pérez Valcárcel

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EFECTOS DEL AGUA SOBRE EL TERRENO  A

Excavación

Nivel del agua

B c

Superficie falso N.F. Estrato impermeable N.F. real Estrato firme

N.F.

Estrato impermeable

Estrato impermeable

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PERMEABILIDAD DEL SUELO

Muestra de suelo h (nivel constante)

l

Permeabilidad ÿ LEY DE DARCY c=caudal k=permeabilidad (cm/sg) i=h/l (gradiente hidraulico)

c=k·i·A·t

 A=sección muestra t=tiempo E.T.S. ARQUITECTURA DE A CORUÑA – DEPARTAMENTO DE TECNO LOGÍA DE LA C ONSTRUCCIÓN – J uan Pérez Valcárcel

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PERMEABILIDAD DEL SUELO abla de permeabilidades (aproximadas) Tipo de suelo

Permeabilidad

 

Grava

>0.1

 

Arena

0.1>k>0.001

Arena limosa

0.001>k>10-5

 

Limo

10-5>k>10-7

 

Arcilla

10-7>k

Tabla D.28. Valores orientativos del coeficiente de Permeabilidad (CTE) Tipo de suelo Grava limpia  Arena limpia y mezcla de grava y arena limpia  Arena fina, limo, mezclas de arenas, limos y arcillas  Arcilla

kz (m/s) > 10-2 10-2 – 10-5 10-5 – 10-9 < 10-9

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LEY DE TERZAGHI

23

N N.F. Ni u

s

S

Las resistencias a compresión y a corte de un suelo dependen de ’(tensión efectiva).

Por equilibrio de fuerzas N = Ni + u (S − s ) N Ni ⎛  s ⎞ = + u⎜ 1 − ⎟ ⎝  S ⎠ S S

’=tensión efectiva

Pero en suelos normales s