Actividad Complementaria II Geotecnia

 

 

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GEOTÉCNIA  ACTIVIDAD COMPLEMENTARIA II GEOTÉCNIA

ESCOBAR ROJAS MARÍA CAMILA 7303417

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE ESTUDIOS A DISTANCIA- FAEDIS PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C 2018. 1 

 

 

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GEOTÉCNIA  ACTIVIDAD COMPLEMENTARIA II GEOTÉCNIA

TRABAJO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OBTENER NOTA EN EL SEGUNDO CORTE DE LA ASIGNATURA GEOTÉCNIA.

ESCOBAR ROJAS MARÍA CAMILA 7303417

DOCENTE: ING. JUAN CAMILO VEGA APONTE

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE ESTUDIOS A DISTANCIA- FAEDIS PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C 2018. 2 

 

 

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GEOTÉCNIA  LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. FLUJOS Y CARGAS ............................................................................................... ..................................................... .......................................... 8 FIGURA 2. FLUJO EN MEDIO POROSO ............................................................................. ................................................................ ............. 10 FIGURA 3. LEY DE DARCY.................................................................................................... 10 FIGURA 4. TIPOS DE FLUJO PARA OBTENER LA SENSIBILIDAD DE UNA MUESTRA DE ROCA ............................................................................................................... 12 FIGURA 5. ELEMENTOS DE UNA CLASIFICACIÓN MECÁNICA ............................... 13 FIGURA 6. PROYECCIÓN EQUIÁNGULAR ....................................................................... ............................................... ........................ 14 FIGURA 7. FALSILLA DE WULFF. ............................................... ....................................................................................... ........................................ 15 FIGURA 8. PROYECCIÓN EQUIDISTANCIAL .................................................................. 15 FIGURA 9. FALSILLA EQUIAREAL O DE SCHMIDT ................................................. ...................................................... ..... 16 FIGURA 10. PREPARACIÓN DE LAS HOJAS DE DE LA PROYECCIÓN DE SCHMIDT 17 FIGURA 11. INGRESO DE PLANOS EN EL SISTEMA DIP/DIPDIRECTION............... DIP/DIPDIRECTION ............... 18 FIGURA 12. INCLINOMETRO Y ELEMENTOS ................................................................. ................................................... .............. 20 FIGURA 13. PIEZÓMETRO .................................................................................................... 22 FIGURA 14. PIEZÓMETROS DE TUBO VERTICAL .................................................... ......................................................... ..... 23 FIGURA 15. PIEZÓMETROS DE CUERDA VIBRANTE ................................................... 23 FIGURA 16. PIEZÓMETROS NEUMÁTICOS ..................................................................... 24 FIGURA 17. PIEZÓMETRO DE TITANIO ........................................................................... 24 FIGURA 18. FUERZAS ACTUANTES SOBRE SOB RE UNA CUÑA DE SUELO MÉTODO DE MONONOBE-OKABE............................................................................................................... 26 FIGURA 19. FS VS KH ................................................ ...................................................................................................... ........................................................... ..... 28

LISTA DE GRAFICOS TABLA 1. VALORES DE K ...................................................................................................... ..................................................... ................................................. 11  11   TABLA 2. VALORES DEL COEFICIENTE K RECOMENDADOS .................................. 27  27 

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TABLA DE CONTENIDO

1. OBJETIVOS .......................................................................................................... ..................................................... ..................................................................... ................ 5 2. RESUMEN ............................................... ................................................................................................... .............................................................................. .......................... 5 3. CUESTIONARIO ........................................................................................................... ....................................................... ........................................................... ....... 6 4. SOLUCIÓN AL CUESTIONARIO .................................................... ..................................................................................... ................................. 7 ANÁLISIS DINÁMICO ......................................................................................................... 25 MÉTODO DE MONONOBE-OKABE (1929) ..................................................................... 26 5. CONCLUSIONES ...................................................... .......................................................................................................... ......................................................... ..... 29 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................... .............................................................................. ............................... 29

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GEOTÉCNIA  1.  OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL   Se pretende que los estudiantes fortalezcan las competencias en la mecánica de rocas para

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comprender los diferentes mecanismos de falla en macizos rocosos, así como la influencia de agua en ellos.    Identificar los tipos de ensayos para determinar las propiedades hidráulicas del suelo y rocas    Investigar los métodos de clasificación de macizos rocosos     Reconocer paso a paso la proyección estereográfica por medio de la plantilla de Schmidt,  para el análisis de estabilidad en taludes  

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2.  RESUMEN Para todos los procesos constructivos y obras de ingeniería civil, requerimos del suelo como un apoyo para la estabilidad de las mimas; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán determinados, entre otros factores, por el desempeño del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por el del suelo utilizado para conformar los rellenos. Las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la supraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales,deyuna en correcta proyectos de medianadea mecánica gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través investigación de suelos. El siguiente trabajo tiene como objetivo conocer los tipos de ensayos para determinar las  propiedades de rocas y suelos, de igual manera la clasificacion del material rocoso,  procedimientos de proyecciones estereográficas, funciones de algunos instrumentos para el monitoreo técnico y la teoría relacionada con los empujer de la tierra.

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GEOTÉCNIA  3.  CUESTIONARIO 3.1  Mencione y describa brevemente los diferentes tipos de ensayos que se pueden desarrollar para determinar las propiedades hidráulicas de suelos y rocas. 3.2  Investigue los métodos de clasificación de macizos rocosos y presente un ejemplo al respecto. 3.3  Describa de manera clara y detallada como se realiza el procedimiento de proyección estereográfica por medio de la plantilla de Schmidt, así como su uso en el análisis de estabilidad de taludes. 3.4  Consulte y describa el funcionamiento de inclinómetros y piezómetros como instrumentos para el monitoreo geotécnico del terreno. 3.5  Consulte y describa detalladamente la teoría de Mononobe-Okabe relacionada con los empujes de tierras bajo fuerzas sísmicas. Presente los diagramas de presión de tierras correspondientes.

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4.  SOLUCIÓN AL CUESTIONARIO 4.1  TIPOS DE ENSAYOS PARA DETERMINAR HIDRÁULICAS DE SUELOS Y ROCAS.

LAS

PROPIEDADES

4.1.1  PROPIEDADES HIDRAULICAS DE SUELOS El agua afecta en forma muy importante el comportamiento de los suelos, especialmente a los suelos finos. Conviene tener muy presente que los problemas del agua en los suelos abarcan múltiples escalas de tamaño, desde el nivel molecular hasta el macroscópico. Como ya se mencionó, el suelo está compuesto por un sistema de partículas minerales y de materia orgánica. Asociado a éste, existe otro sistema, el de vacíos. A través de este sistema, el agua puede fluir de puntos de mayor energía hacia puntos de menor energía. La interacción del agua con la fase sólida cambia el comportamiento de ambos. El agua causa que la fase sólida del suelo se expanda o se contraiga, que las partículas se adhieran unas a otras y que formen agregados de partículas, lo cual da origen a elementos estructurales del suelo. El agua participa en innumerables reacciones químicas que son fundamentales en el comportamiento del suelo. Asimismo, la presencia del agua es un factor dominante en muchos problemas de la ingeniería geotécnica. En forma simple, los problemas del agua en los suelos se puede dividir según dos clases de condiciones: Condiciones estáticas. Este tipo de problema se refiere al agua en reposo; por ejemplo, el nivel de agua freática (NAF) y sus variaciones, en este caso, la presión del agua en los poros del suelo es hidrostática. Otros problemas son la capilaridad y el agua adsorbida, entre otros. Condiciones dinámicas. Este tipo de problema se refiere al agua en movimiento, es decir, a  problemas ocasionados por el flujo de agua a través de los poros del suelo; por ejemplo, el  proceso de consolidación de los suelos, el flujo de agua debido a una excavación y las pérdidas  por filtración de agua en la cortina de una presa, pres a, entre otros. Para el estudio del agua en los suelos se parte de dos hipótesis fundamentales: El suelo está 100% saturado, es decir, se trata de un material de dos fases. Todos los poros del suelo están conectados a los poros vecinos, así que se forman tubos los cuales el agua se mueve, es decir, los poros presentan continuidad y la trayectorias físicas del agua siguen curvas continuas y suaves, llamadas líneas de flujo.

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GEOTÉCNIA  FLUJO A TRAVÉS DE TUBOS. En el estudio del flujo del agua en tubos es conveniente expresar la energía tanto potencial como cinética del agua en términos de alturas de columna de agua o cargas (heads), correspondientes a la energía por unidad de masa .A continuación, se definen las siguientes cargas.

FIGURA 1. FLUJOS Y CARGAS   Carga de presión (pressure head), hp, es la presión del agua dividida entre el peso

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volumétrico del fluido (p/ϒϖ).  

  Carga de velocidad (velocity head), hv, se debe a la energía cinética del agua y se expresa

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como el cuadrado de la velocidad dividida entre 2g (v^2/2g)   Carga de altura o elevación (elevation head), he, es la distancia de un punto cualquiera a un plano de referencia.   Carga total (total head), h, es la suma de cargas.

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Un concepto muy importante es la ley de conservación de la masa. Para un fluido incompresible y con régimen laminar, esta ley se reduce a la ecuación de continuidad: Q = v1 A1 = v2 Ac = constante, donde Q es el gasto en m^2/s, v es la velocidad en m/s y A es el área de la sección transversal en m^2. Otra ecuación muy conocida de la mecánica de fluidos es la ecuación de Bernoulli: h = hp + hv + he = p/ϒϖ + v^2/2g + Z, donde p es la presión , v es la velocidad, g es la aceleración debida a la gravedad y ϒϖ es el peso volumétrico del agua. 

Si se mide la carga total (n dos puntos A y B, se puede conocer si el agua está en reposo hA = hB o si existe movimiento hA ≠ hB.

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FLUJO A TRAVÉS DE UN MEDIO POROSO. Para la mecánica de fluidos, el flujo del agua puede ser flujo establecido o flujo no establecido, lo cual corresponde a condiciones que son constantes o que varía con el tiempo, respectivamente. En mecánica de suelos, la hv es en general muy pequeña, por lo que se desprecia y, por tanto, la carga total se expresa como h = hp + he, la cual se denomina altura piezométrica. A continuación se muestra la relación entre las cargas de presión, de elevación y total para el flujo de agua a través de los suelos. La pérdida de carga total entre dos puntos A y B se representa por Δh, la cual se puede expresar en forma adimensional como : i = Δh / L, donde i es el gradiente hidráulico (hydraulic gradient),

que define la energía perdida o la pérdida de carga total por unidad de longitud. L es la distancia entre los puntos A y B, esto es, la longitud en donde ocurre la pérdida de carga. Dependiendo del valor del gradiente hidráulico, la variación de la velocidad se clasifica en regímenes laminar, y de transición o turbulento. En el régimen laminar las trayectorias física del agua son paralelas entre sí, en cambio, en el régimen turbulento, dichas trayectorias se cruzan entre sí, las fluctuaciones de velocidad ocurren en forma aleatoria y existe disipación de energía.

∝

Con base en lo anterior, en mecánica de suelos se plantea la hipótesis de que el flujo del agua ocurre en régimen laminar, por tanto v  i.

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FIGURA 2. FLUJO EN MEDIO POROSO LEY DE DARCY El ingeniero hidráulico Henry P. G. Darcy (1803-1858) demostró experimentalmente en 1856 la existencia de una relación lineal entre el gasto Q, que pasa a través de una muestra de suelo de sección transversal A, y el gradiente hidráulico, i.

FIGURA 3. LEY DE DARCY La ley Qde=Darcy (1856) para / un poroso,k homogéneo, isotrópico y saturado se expresa L). medio La constante se conoce como coeficiente de permeabilidad como: kAi= k A (Δh

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GEOTÉCNIA  (también referido como conductividad hidráulica) del suelo, y tiene unidades de velocidad (cm/s). Es conveniente aclarar que por convención se emplea el área A de la sección transversal. Sin embargo, el Por áreatanto, en donde ocurre real el flujo es del el área vacíosdeldesuelo la sección transversalen de realidad la muestra. la velocidad de flujo agua de a través (vs) se calcula mediante la expresión: vs = v / n La ley de Darcy se obtuvo para arenas limpias, pero, se ha demostrado que es válida para la mayoría de los suelos. En la tabla se muestra algunos valores comunes de k.

TIPO DE SUELO GRAVA LIMPIA ARENA GRUESA ARENA FINA ARENA LIMOSA

k cm/seg 1 a100 0.01 a 1 0.001 a 0.01 0.00001 a 0.001

ARCILLA TABLA 1. VALORESMenor DE Kde 10^-6 PRUEBAS DE PERMEABILIDAD EN EL LABORATORIO Existen dos pruebas básicas para determinar la permeabilidad del agua en el suelo: a) Ensayo de  permeabilidad de carga car ga constante, recomend recomendada ada para suelos gravosos, arenosos arenoso s o ddee consistencia granular, y b) Ensayo de permeabilidad de carga variable, recomendada para suelos finos de baja  permeabilidad como los limos o las arcillas.

4.1.2  PROPIEDADES HIDRÁULICAS EN ROCAS La permeabilidad constituye una de las propiedades de los macizos que presentan mayor variación dentro de una misma formación rocosa. Por ello, cuando se cuantifica la permeabilidad de un macizo rocoso es más propio hablar de un orden de magnitud (exponente en una base 10) que de valores precisos. En macizos rocosos sanos, la permeabilidad puede ser muy baja, del orden de 10- 8 - 10- 10 cm/ s, aunque si el macizo rocoso está formado por matriz rocosa porosa y permeable, arenisca por ejemplo, sus valores pueden alcanzar hasta 10- 3 cm/s. La  permeabilidad de un macizo rocoso diaclasado puede llegar a 10- 2 y 10-3 cm/ El ensayo más extendido para determinar la permeabilidad de un macizo es el ensayo Lugeon.

ENSAYO LUGEON Este ensayo se realiza en el interior ele sondeos y permite calcular semicuantitativamente la  permeabilidad de los macizos rocosos, en cualquier cualqui er tipo de litología y estado de fracturación.

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GEOTÉCNIA  El ensayo consiste en introducir agua a presión constante (10 kp/cm2) en el sondeo, midiendo las admisiones durante un período de 10 minutos. Normalmente, se ensayan tramos de 5 m de sondeo, aislando el tramo de ensayo del resto del sondeo mediante dos obturadores; en este caso el ensayo se conoce también como packer test. Si el ensayos e realiza en el fondo del sondeo (5 m es necesario el empleo tal finales) y como sólo lo definió M. Lugeon en 1933de un obturador, correspondiendo en este caso al ensayo La unidad de medida del ensayo es el Lugeon que corresponde a una absorción de agua de 1 litro  por metro de sondeo y por minuto, realizando el ensayo a 10 atmósferas de presión durante 10 minutos. Una unidad Luego equivale a un coeficiente de permeabilidad de 10- 5 cm/s (U.L. = 1 l/m x min = 10-5 cm/s). Sensitividad: La sensitividad se establece al analizar la variación de la permeabilidad al cerrarse o abrirse las fisuras bajo el efecto de una modificación del estado de esfuerzos aplicados. Para medir dichas variaciones de permeabilidad se realiza una prueba que consiste en utilizar una  probeta cilíndrica de roca con una perforación central la cual se somete a dos tipos de flujo. 1.Flujo convergente y 2.Flujo divergente.

FIGURA 4. TIPOS DE FLUJO PARA OBTENER LA SENSIBILIDAD DE UNA MUESTRA DE ROCA

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GEOTÉCNIA  4.2  MÉTODOS DE CLASIFICACIÓN DE MACIZOS ROCOSOS Algunos sistemas de clasificación son: 4.2.1  TERZAGHI:   •

Realiza una descripción del macizo rocoso por categorías: •  ROCA INTACTA: Sin diaclasas, rotura por roca intacta,―descascaramiento‖ luego de las

voladuras •  ESTRATIFICADA. Estrato con baja resistencia en los límites. •  MODERADAMENTE FISURADA. Los ―bloques‖ entre diaclasas  intertrabados. No

requiere sostenimiento lateral. •  FRAGMENTADA Y FISURADA. Bloques mal intertrabados. Sosteniminento en  paredes. •  TRITURADA. Fragmentos pequeños, tamaño de arena. •  DESCOMPUESTA. Porcentaje alto de partículas arcillosas. •  ROCA CON HINCHAMIENTO. Minerales arcillosos (montmorillonita) con capacidad

de hinchamiento.

4.2.2  4.2.3  4.2.4  4.2.5 

RQD DE DEER. RMR DE BENIAWSKI. MÉTODO Q DE BARTON, LIEN Y LUNDE. GSI DE HOEK Y BROWN.

FIGURA 5. ELEMENTOS DE UNA CLASIFICACIÓN CLASIFI CACIÓN MECÁNICA  13 

 

 

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4.3  PROCEDIMIENTO DE PROYECCIÓN ESTEREOGRÁFICA POR MEDIO DE LA PLANTILLA DE SCHMIDT, Y SU USO EN EL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES. Hablamos de proyecciones al método para reducir un objeto tridimensional a un diagrama  bidimensional, o a los métodos para representar la orientación o rientación de los planos geológicos en esquemas, dado a que los planos geológicos o los elementos geológicos y tectónicos abarcan las tres dimensiones que corresponden a la orientación de un plano mientras que el papel solo cuenta con dos dimensiones. Existen dos tipos de proyecciones: 4.3.1  PROYECCIÓN EQUIÁNGULAR: 

 Fuente: (Elaboración propia, AutoCAD 2017, apoyado apo yado en (Griem, 2017)) FIGURA 6. PROYECCIÓN EQUIÁNGULAR   También conocida como PROYECCIONES ESTEREOGRÁFICAS, por tener los ángulos iguales, es un sistema de representación que consiente en una fácil visualización de problemas geológicos empleando conceptos de geometría descriptiva. La proyección equiángular es un elemento de resolución de problemas geológicos. La interpretación de la proyección de igualdad de ángulos consiste en realizar una vista desde el cenit y representar lo visto en un plano horizontal. Para este tipo de proyección se utiliza la malla o falsilla de WULFF. (Griem, WULFF.  (Griem, 2017)

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 Fuente: (Griem, 2017)

FIGURA 7. FALSILLA DE WULFF. 4.3.2  PROYECCION EQUIDISTANCIAL:

 Fuente: (Elaboración propia, AutoCAD 2017, apoyado apo yado en (Griem, 2017)) FIGURA 8. PROYECCIÓN EQUIDISTANCIAL  Se conoce también como PROYECCIONES EQUIARIALES O PROYECCIÓN LAMBERT.

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GEOTÉCNIA  Esta proyección sirve para la geología estructural porque se puede trabajar estadísticamente. Es decir, cantidades grandes de datos o "nubes de datos" mantienen su geometría. Las distancias  permanecen iguales. Para este tipo de proyección se utiliza la Falsilla (o red) de SCHMIDT. (Griem, 2017)

 Fuente: (Hoek y Bray, 1977) FIGURA 9. FALSILLA EQUIAREAL O DE SCHMIDT 

USO DE LA RED: El uso de la proyección estereográfica en papel "artesanal" todavía tiene algunas ventajas, especialmente para aprender cómo funciona, pero con pocos datos (10 o menos) es más rápido en comparación del uso de un programa computacional. Además, algunos programas computacionales no trabajan como deseado - existen trampas fácilmente sedecomete errores. Por eso antes de usar un programa siempre hay que hacer unaycomparación algunos datos  procesados en el computador con los mismos datos procesados en una forma "artesanal" en  papel. Sí coinciden ambas versiones no hay ha y problemas.

PREPARACIÓN DE LA HOJA Para ingresar puntos a la red de Schmidt se necesita la pauta (Original de la red), un papel transparente (diamante, mantequilla, poliéster etc.) y un chinche de metal con cabeza plana.

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 Fuente: (Griem, 2017) FIGURA 10. PREPARACIÓN DE LAS HOJAS DE LA PROYECCIÓN DE SCHMIDT a) Pauta original Schmidt  b) Chinche c) Papel transparente

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GEOTÉCNIA  INGRESO DE LOS PLANOS 

 Fuente: (Griem, 2017) FIGURA 11. INGRESO DE PLANOS EN EL SISTEMA DIP/DIPDIRECTION   a) se gira del valor dip en sentido contrarrelaoj  b) se cuenta el manteo entre chinche hacia abajo (sur). ( sur). c) Se marca el punto d) Se mueve la transparencia al estado original.

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GEOTÉCNIA  COMPUTACIÓN:  Hoy día se usa generalmente programas computacionales para realzar trabajos con la proyección estereográfica. La ventaja es impresionante por eso las proyecciones de la red de Wulff o red de Schmidt eran unos de los pioneros en el uso de la informática - durante una época donde realmente era difícil encontrar una aplicación útil para computadores. (Griem, 2017)  2017)  El ingreso de los datos no siempre es fácil. Al primero hay que verificar que tipo de datos espere el programa. Significa puede ser "tipo americano", "medio circulo" o circulo completo. Más encima hay que verificar la forma de los datos (puede ser por ejemplo 198/34 o 34 - 198). Además, hay que verificar el programa espera datos de 400 o de 360º. Se recomienda de realizar una "marcha blanca" con algunos tres o cuatro datos para verificar como se quedan y eliminar  problemas antes del ingreso de un set de 2000 datos. datos. (Griem,  (Griem, 2017)  2017)  Algunos programas antiguos o versiones antiguas (por ejemplo, DIPs 3) necesitan un "editor" es decir un pequeño programa para ingresar los datos con el formato "txt". Hay que cumplir 100% el formato pedido por el programa, especialmente el cabezal y el fin. En este caso se recomienda el uso de un set de datos antiguos - guardando bajo otro nombre - borrando los datos antiguos y 2017)  reemplazando con los datos nuevos. (Griem, nuevos. (Griem, 2017)  El ingreso de los datos tectónicos toma su tiempo. Un buen estudio puede llegar a 4000 y más datos. La manera más eficiente y seguro es el uso de notaciones con pocos dígitos, por ejemplo la notación del circulo del circulo completo. completo.   Un plano corresponde a 2 (dos) números. La La notación  notación tipo americana pide americana  pide el ingreso de 5 números o letras. letras. (Griem,  (Griem, 2017)  2017) 

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GEOTÉCNIA  4.4  FUNCIONAMIENTO DE INCLINÓMETROS Y PIEZÓMETROS COMO INSTRUMENTOS PARA EL MONITOREO GEOTÉCNICO DEL TERRENO. La instrumentación geotécnica tiene como propósito establecer el comportamiento y las tipologías del terreno para pronosticar su evolución frente a cargas, movimientos, empujes y demás acciones, tanto naturales como inducidas por las obras.          

    

Movimientos superficiales. Movimientos al interior del terreno. Movimientos de apertura de grietas y entre diferentes puntos. Presiones intersticiales y sus variaciones. Empujes en el terreno sobre elementos de construcción.

La frecuencia de las lecturas y la recogida de los datos depende de las magnitudes a medir y la velocidad del proceso a controlar. Las lecturas pueden ser manuales o automáticas. Las primeras están indicadas en los casos en que el número de sensores o puntos de registro sea pequeño, la  periodicidad en la toma de los datos sea semanal o mayor y los puntos de lecturas sean fácilmente accesible. La elección del sistema de toma de datos viene condicionada por el número de sensores y características de los mismo, frecuencia de lecturas, numero de datos a tratar, rapidez con la que ha de realizarse el tratamiento e interpretación, situación y accesibilidad del lugar y ubicación de los sensores. (Índigo Construcciones LTDA, 2018)  2018) 

INCLINÓMETRO:

 Fuente: (Índigo Construcciones LTDA, 2018) FIGURA 12. INCLINOMETRO Y ELEMENTOS Son instrumentos que constituyen uno de los principales métodos de investigación de deslizamientos y en general de control de movimientos transversales a un sondeo. Consisten en la medida de inclinaciones en diversos puntos del interior de un sondeo mediante una sonda que transmite una señal eléctrica proporcional a la inclinación. Esta lectura permite cuantificar y conocer los movimientos transversales del sondeo.

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GEOTÉCNIA  APLICACIONES  Se utilizan para controlar los movimientos del subsuelo y deformaciones. Las aplicaciones típicas incluyen:   La detección de zonas de movimiento y establecer si el movimiento es constante, la aceleración, o respondiendo a las medidas correctivas. 

  Comprobar que las deformaciones son dentro de los límites de diseño, que puntales y



anclajes están funcionando como se esperaba, y que los edificios adyacentes no se ven afectados por los movimientos de tierra.

  Verificación de la estabilidad de las presas, estribos de la presa, y las pendientes



ascendentes durante y después del embalse.

  Monitoreo de perfiles de asentamiento de terraplenes, fundaciones y otras estructuras



(inclinómetro horizontal).

ELEMENTOS QUE LO COMPONEN Un sistema de inclinómetro tiene dos componentes:   TUBERÍA DEL INCLINÓMETRO: proporciona acceso para las mediciones del subsuelo. Las ranuras del interior de la tubería controlan la orientación del sensor del inclinómetro y proporcionan una superficie uniforme para las mediciones. La Tubería del inclinómetro se suele instalar en un sondeo. También puede ser embebido en relleno, enterrado en una zanja (inclinómetros horizontal), echado en concreto, o unido a una estructura.  

SISTEMA DE MEDICIÓN INCLINÓMETRO: Los Sistemas de medición portátiles incluyen una sonda, cable, y la lectura. Los sistemas portátiles son económicos ya que  pueden ser transportados de un sitio a otro. La primera lectura establece el perfil inicial de la tubería. Las encuestas posteriores se comparan con la inicial. Cambios en el perfil indican que se ha producido movimiento.

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GEOTÉCNIA  PIEZÓMETROS: 

 Fuente: (Índigo Construcciones LTDA, 2018) FIGURA 13. PIEZÓMETRO Instrumento utilizado para medir la cabeza de presión de los fluidos en el interior de masas de suelo y roca, consiste en la instalación de una tubería abierta en sus dos extremos colocada a lo largo de todo el sondeo. En el interior de la tubería se mide la altura que alcanza el agua. El control del nivel del agua en sondeos es de gran importancia y su su medida durante la  perforación como a lo largo del tiempo después de finalizada, permite obtener información muy significativa sobre el tipo de acuífero y sus implicaciones en la permeabilidad del terreno y otros  problemas hidrogeológicos y geotécnicos. (Índigo geotécnicos.  (Índigo Construcciones LTDA, 2018)  2018) 

APLICACIONES  Piezómetros miden los niveles de presión del agua intersticial y subterráneos, proporcionando información esencial a:   La comprensión de las condiciones del lugar inicial.   La determinación de las tasas de seguros para la colocación de relleno   La predicción de la estabilidad de taludes.   Diseñar para empujes laterales.   Evaluación de la eficacia de los sistemas de drenaje.   Comprobación del funcionamiento de los sistemas de contención.

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GEOTÉCNIA  TIPOS DE PIEZOMETROS: PIEZÓMETROS DE TUBO VERTICAL

 Fuente: (Índigo Construcciones LTDA, 2018) 201 8) FIGURA 14. PIEZÓMETROS DE TUBO VERTICAL  

El piezómetro tubo vertical es el tipo más básico de piezómetros. Se compone de punta de filtro unido a un tubo ascendente que se extiende a la superficie. El agua fluye a través de la punta de filtro en el tubo de subida. Las lecturas se obtuvieron con un indicador de nivel de agua.

PIEZÓMETROS DE CUERDA VIBRANTE

 Fuente: (Índigo Construcciones LTDA, 2018) FIGURA 15. PIEZÓMETROS DE CUERDA VIBRANTE  El piezómetro de cuerda vibrante es el tipo más comúnmente desplegados de piezómetros. Adecuado para la mayoría de aplicaciones, puede ser instalado en un pozo de sondeo, incrustado en relleno, o suspendido en un tubo vertical. Las lecturas se obtuvieron con una lectura portátil o un registrador de datos.

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GEOTÉCNIA  PIEZÓMETROS NEUMÁTICOS 

 Fuente: (Índigo Construcciones LTDA, 2018) FIGURA 16. PIEZÓMETROS NEUMÁTICOS  El piezómetro neumático funciona por presión de gas. Puede ser instalado en un pozo de sondeo, incrustado en relleno, o suspendido en un gran tubo vertical de diámetro. Las lecturas se obtuvieron con un indicador de neumático.

PIEZÓMETRO DE TITANIO

 Fuente: (Índigo Construcciones LTDA, 2018) FIGURA 17. PIEZÓMETRO DE TITANIO  El piezómetro de titanio es un dispositivo de 4-20 mA que es compatible con los registradores de datos industriales. Se utiliza generalmente para las pruebas de reducción.

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GEOTÉCNIA  4.5  TEORÍA DE MONONOBE-OKABE RELACIONADA CON LOS EMPUJES DE TIERRAS BAJO FUERZAS SÍSMICAS.  Los muros de contención se caracterizan por tener como principal propósito resistir las presiones de una porción de tierra u otros materiales. La filosofía de su diseño consiste en lidiar con la magnitud y la distribución de las presiones laterales de tierra entre la masa de suelo y el sistema de contención. Esto implica hacer la predicción de las presiones laterales y de las deformaciones considerando el estado inicial de esfuerzos del suelo. Las presiones son una función del material que la estructura debe soportar, de las cargas que el suelo ejerce contra el muro, de la posición del nivel freático, de los desplazamientos que sufrirá la estructura en el tiempo y del comportamiento de la misma bajo efectos de cargas sísmicas (Juan, et al 2013)  2013)  Durante un evento sísmico los muros de contención presentan mayores solicitaciones. Por tanto el diseño sísmico de muros de contención es importante para minimizar los efectos devastadores de los terremotos sobre las estructuras de contención, el daño en las vías terrestres, en estribos de  puentes, el riesgo a las vidas humanas, así como serios problemas económicos, sociales y ambientales. (Nelson et al, 2012)  2012)  Las estructuras de contención diseñadas con métodos de equilibrio límite (método de MononobeOkabe) han tenido un excelente desempeño durante sismos de gran magnitud. Entre los factores que explican el buen desempeño sísmico de estos sistemas, es que los métodos típicamente desprecian la contribución de resistencia por cohesión y sobreestiman la magnitud de Ias fuerzas 2014)  de inercia (Candia et al. 2014)  Uno de los primeros métodos para el cálculo de empujes sísmicos de suelo en estructuras de contención fue desarrollado por Okabe luego del gran terremoto de Kwanto, 1923. Posteriormente, Mononobe y Matsuo validaron la teoría de Okabe mediante ensayos en mesas vibradoras y desarrollaron un método simple para el cálculo de empujes sísmicos en suelos granulares y muros de baja altura (método de Mononobe-Okabe) (Candia et al. 2014)  2014) 

ANÁLISIS DINÁMICO La respuesta dinámica es compleja en las estructuras de contención, pues los esfuerzos y desplazamientos dependen del estrato de cimentación, de las fuerzas inerciales, la rigidez de la estructura, del comportamiento del suelo retenido y de las características del sismo, etc (Nelson et al, 2012).  2012).  Las soluciones para el comportamiento dinámico de las estructuras de contención pueden ser clasificadas en tres principales categorías: método rígido-plástico o pseudo estático, elástico y elastoplástico (Nelson et al, 2012)  2012) 

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MÉTODO DE MONONOBE-OKABE (1929) El método pseudo estático está basado en el equilibrio de fuerzas estáticas y dinámicas, en la determinación de las fuerzas que actúan sobre el muro y sus puntos de aplicación con fines de determinar factores de seguridad al desplazamiento, vuelco y giro en la base. El método de Mononobe  —   Okabe Okabe (M-O) es una prolongación de la teoría estática de Coulomb, en el cual las aceleraciones pseudo estáticas son aplicadas a la cuña activa (o pasiva) de Coulomb. El empuje de suelo pseudo estático es obtenido del equilibrio de fuerzas sobre la cuña de falla (Nelson et al, 2012)   2012)

FIGURA 18. FUERZAS ACTUANTES SOBRE UNA CUÑA DE SUELO MÉTODO DE MONONOBE-OKABE

Adicionalmente a Ias fuerzas estáticas consideradas en el método de Coulomb (1776), el equilibrio de fuerzas ahora envuelve Ias fuerzas pseudo-estáticas equivalentes a las fuerzas de inercia con componente horizontal y vertical W y W, donde y son los llamados son coeficientes sísmicos y W el peso de la cuña. EI empuje activo total  puede ser expresado de manera similar a la condición estática, considerando el coeficiente de empuje activo

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Generalmente el coeficiente sísmico seudo-estático corresponde a una aceleración horizontal y usualmente no se tienen en cuenta Ias aceleraciones verticales. Los coeficientes sísmicos utilizados en la práctica para el análisis seudo estático son los siguientes (Laura, 2008).  2008). 

TABLA 2. VALORES DEL COEFICIENTE K RECOMENDADOS Un procedimiento es utilizar los coeficientes indicados en la imagen; Sin embargo, en ocasiones se realiza el análisis haciendo una gráfica de coeficiente sísmico contra factor de seguridad. (Laura, 2008).  2008). 

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FIGURA 19. FS VS KH La componente estática del empuje actúa a una distancia H/3 de la base del muro, mientras que la resultante de la componente pseudo estática según Seed y Whitman (1970) y el Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes (1995) recomiendan que la resultante del empuje  pseudo estático actúa a una distancia 0.6H desde la base, como también que las aceleraciones verticales pueden ser ignoradas cuando se utilice el método de M-O (Juan, et al 2013).  2013).  Se consideran las siguientes hipótesis (Perozo, 2008)  2008)  1.  El muro cede suficientemente para producir empujes activos mínimos. 2.  Cuando es alcanzado el mínimo empuje activo, una cuña de suelo detrás del muro es el  punto de d e falla incipiente, y la máxima resistencia de corte es movilizada a lo largo de la superficie potencial de deslizamiento. 3.  El suelo detrás del muro se comporta como un cuerpo rígido, de tal manera que las aceleraciones son uniformes a través de toda la masa. 4.  El relleno es granular, con un ángulo de fricción ᵠ  5.  El relleno es no saturado

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GEOTÉCNIA  LIMITACIONES DEL MÉTODO Los efectos inerciales en el estribo no son tomados en cuenta en el análisis de Mononobe  —   Okabe. +Esta hipótesis no es conservadora, y para aquellos estribos que tienen en su masa un elemento importante para su estabilidad, es una suposición poco razonable el no considerar la masa del estribo como un aspecto importante de su comportamiento. Cuando en el análisis con el Método de Monobe-Okabe se emplean las aceleraciones máximas del terreno, las dimensiones de las estructuras de contención de tierras pueden llegar a ser demasiado grandes.

5.  CONCLUSIONES  

La estabilidad volumétrica de un suelo, donde no se admiten deformaciones altas, la

estabilidad de los taludes y de las estructuras que hacen parte de la cimentación de una estructura.   La proyección estereográfica o equiángular tiene la gran ventaja de que con una sola  proyección las relaciones angulares entre rectas y planos, que suponen generalmente los datos más significativos, pueden determinarse de forma mucho más sencilla y directa.   La Geotecnia brinda las herramientas que permiten la solución a muchos problemas de la ingeniería de suelos.

6.  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS   Griem, Wolfgang. Geología Estructural virtual. Diagramas y estadísticas. Proyección



Estereográfica. 2017. Disponible en http://www.geovirtual2.cl/Geoestructural/prak02.htm en http://www.geovirtual2.cl/Geoestructural/prak02.htm   Índigo Construcciones LTDA. Ingeniería  –  Diseño   Diseño  –  Geotecnia   Geotecnia y Construcciones. 2018.



Disponible en http://www.indigoconstrucciones.com/instrumentacion-geotecnica/ en http://www.indigoconstrucciones.com/instrumentacion-geotecnica/

  Duque, Gonzalo (2014). Universidad Nacional de Colombia, Manizales. See more at:



http://www.bdigital.unal.edu.co/1572/286/intemperismoometeorizacion.pdf

  Osorio, S. Apuntes de Geotecnia con Énfasis en Laderas. DICEIMBRE, 2010. Disponible



en: http://geotecnia-sor.blogspot.com.co/2010/12/historia-de-la-geotecnia-03-la.html. en:  http://geotecnia-sor.blogspot.com.co/2010/12/historia-de-la-geotecnia-03-la.html.  

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GEOTÉCNIA    Apuntes sobre suelos: algunas relaciones roca-mineral-suelo. Jaramillo Jaramillo, Daniel



Francisco (1987) http://www.bdigital.unal.edu.co/1728 (1987) http://www.bdigital.unal.edu.co/1728

  Hauser, A., 1985. Flujos de barro en la zona preandina de la Región Metropolitana:



Características, causas, efectos, riesgos y medidas preventivas. Revista Geológica de Chile No. 24, p. 75-92.   Juan, S., & Carlos, E. Diseño de muros de contención bajo carga sísmica en suelos



homogéneos cohesivos y friccionantes mediante un aplicativo computacional.2013

   Nelson, A., Yalitza, S., & David, M. (2012). Diseño sísmico ddee muros muro s de d e contención en



gravedad y voladizo. Ocaña, Colombia: Revista Colombiana de Tecnología de Avanzada.

  Laura, B. (2008). Manual para el análisis sísmico de estabilidad de taludes utilizando



métodos seudoestaticos y métodos de desplazamiento.   Candia, G., Sanhueza, C., & Sitar, N. (2014). Evaluación del empuje sísmico en muros de contención en base a un perfil de aceleraciones de campo libre. In Santiago, Chile: VIII Congreso Chileno DE Ingeniería Geotécnica (p. 2014).



  Perozo, G., A., & Rivera, P. (2008). Estimación de fuerza de empuje sísmico dinámico de



tierra sobre muros de contención, considerando el teorema de Monobe-Okabe

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