Cimentaciones - Mejoramiento Del Suelo y Modificacion Del Terreno - Drenes de Arena y Drenaje Vertical

C U R S 0

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL : CUSCO C I M E T A C I O N E S

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

MEJORAMIENTO DEL SUELO Y MODIFICACIÓN DEL TERRENO POR MEDIO DE DRENES DE ARENA Y DRENES VERTICALES DOCENTE: M . S c . I n g . R e g i a N . Pa t r i c i a YA Q U E T T O PAR E D E S D E RODRIGUEZ A LU M N O

:

TA R R A G A R O D R I G U E Z J O E L E F R A I N

Semestre 2015 – I

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CONTENIDO

1.0 Mejoramiento del suelo y modificación del terreno 01 1.1. Introducción 02 1.3. Fines 02 2.0. Marco Teórico 03 2.1 Influencia de las condiciones de agua sobre la capacidad de carga 04 2.2 Técnicas de mejora de suelos más empleadas 04 2.3 Aplicaciones de las técnicas de mejora del terreno 05 3.1 Drenes de arena 08 3.2 Proceso de construcción 08 3.3 Funcione 09 3.4 Diseño en drenes de arena 10 4.1 Drenes Vertical 11 4.2 Mejora del Suelo 11 4.3 Tiempo de Consolidación 12 4.4 Aplicación 12 4.5 Ventajas del Sistema 13 4.6 Diseño en drenes prefabricados verticales 13 4.6.1 Aspectos a considerar en la elección del dren vertical 13 4.6.2 Factores que intervienen en el diseño del dren vertical 14 4.6.3 Procedimiento para determinar la longitud y la separación horizontal de los drenes verticales 18 5.1 Comentarios 19 5.2 Conclusiones 19 5.3 Recomendaciones 20 6.0 Bibliografía 21 6.1 Textos Consultados 21 6.2 Paginas Web 21 7.0 Anexos Material Bibliografico en PDF (CD)

PRESENTACION Las condiciones hidrogeológicas del terreno de cimentación tienen una importancia fundamental a la hora de determinar la capacidad de carga de las cimentaciones directas o superficiales. Por ello es que se ha de buscar diversas formas de mejorar la capacidad admisible del suelo de tal manera que este resulte conveniente tanto para la construcción como para la sustentabilidad del proyecto. Actualmente, se utilizan principalmente dos métodos de drenaje que ayudarán considerablemente a superar los problemas de baja capacidad portante: Drenes de arena, Drenes Verticales. Estos métodos son utilizados en suelos de baja permeabilidad, de tal manera que ayudan a una rápida salida del agua y aceleran la consolidación.

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1. INTRODUCCION Y GENERALIDADES 1.1.INTRODUCCION La mejora del terreno como solución a la cimentación de todo tipo de estructuras es una técnica conocida desde hace mucho tiempo. Las técnicas más modernas como pueden ser la compactación dinámica, las mechas drenantes y las columnas de grava, aunque empleadas con anterioridad, han sufrido un fuerte auge durante la década de los 90 y en la actualidad. (GARCÍA J., 2012) La profundización permanente de la capa freática casi superficial, en el caso de los suelos o terrenos de arena fina o limo, mejora notablemente las capas superficiales, sobre todo cuando se trata de cimentar caminos, zonas de estacionamiento (aparcamiento) y construcciones residenciales de poca elevación. El drenaje es eficaz porque disminuye la resistencia de los suelos al haber un aumento de la cantidad y presión del agua de los poros(CAPOTE, 2012). En los últimos años las técnicas de drenaje se han perfeccionado de tal manera que se convirtieron en métodos muy efectivos para mejorar la capacidad portante del suelo. En este trabajo se busca estudiar el problema que causa tener la capa freática en el suelo, así como las mejores soluciones ante este problema. 1.2 OBJETIVOS  Identificar el problema que causa la presencia de agua durante las cimentaciones.  Establecer cuáles que parámetros se ven afectados.  Encontrar alternativas que den solución a la baja capacidad admisible que presentan los suelos con capa freática.  Describir los métodos de drenaje actualmente utilizados para que, de acuerdo sea el caso, se seleccione el método idóneo. 1.3 FINES  Tener en cuenta que existen soluciones eficientes ante la presencia de capa freática o acuíferos.  Estar capacitados para utilizar la mejor técnica de drenaje de acuerdo a la situación que se presente.  Entender el funcionamiento de las técnicas de drenaje para evaluar costos y eficiencia de acuerdo a la conveniencia y posibilidades. CIMENTACIONES

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 Conocer a las entidades y grupos que brindan el servicio, materiales y maquinaria. De lo contrario estar capacitados para diseñar un sistema de drenaje eficiente. 2. MARCO TEÓRICO 2.1 INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE AGUA SOBRE LA CAPACIDAD DE CARGA Las condiciones hidrogeológicas del terreno de cimentación tienen una importancia fundamental a la hora de determinar la capacidad de carga de las cimentaciones directas o superficiales. (HERRERA, 2005) El ejemplo teórico de la figura adjunta servirá para poner de relieve los aspectos más importantes de este problema. Se trata de una cimentación en faja de ancho B, situada a una profundidad D bajo la superficie. Existen tres casos en los que se puede ver la influencia del nivel freático en la capacidad de carga. (NIJ y MEDRANO, 2009) 2.1.1 Caso I El nivel freático se encuentra de manera que 0 ≤ D1 ≤ Df (ver figura 31), el factor “q” en las ecuaciones de capacidad de carga se define:

Figura 1:CASO I 0 ≤ D1 ≤ Df Esta sobrecarga efectiva también es conocida como esfuerzo efectivo o presión intergranular en algunos casos. Donde: ϒ= peso específico o natural del suelo CIMENTACIONES

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ϒ sat = peso específico saturado del suelo ϒ w = peso específico del agua Además, el valor de ϒ en el último término de las ecuaciones se sustituye por: ϒ ′ = ϒ sat − ϒ w 2.1.2 Caso II El nivel freático se localiza de forma que 0 ≤ d ≤ B (ver figura 32); la sobrecarga efectiva se toma como:

El factor ϒ en el último término de las ecuaciones de la capacidad de carga se sustituye por:

Figura 2: CASO II 0 ≤ d ≤ B

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2.1.3 Caso III Cuando el nivel freático se localiza de manera que d ≥ B, el agua no afectará la capacidad de carga última. 2.2 TÉCNICAS DE MEJORA DE SUELOS MÁS EMPLEADAS Son las siguientes: a) Precarga Consiste en sobrecargar un terreno de forma superficial mediante la una aportación de tierras, generalmente en forma de terraplén, que dé lugar a una carga superior a la que va a estar sometida en servicio. De esta forma se acelera la consecución de los asientos de servicios y la obtención de un asiento residual aceptable. El principal inconveniente es que estos procesos suelen ser lentos y se necesita bastante tiempo (meses o incluso años) en la consecución de los objetivos de asiento marcados. b) Drenes Mecha Es una técnica generalmente ligada a la precarga en suelos saturados de baja permeabilidad, ayudan una rápida salida del agua y aceleran la consolidación. Se consigue mediante la introducción de un dren delgado sintético en forma de cinta de unos 10 cm de ancho y 4-5 mm de espesor en el suelo blando con una disposición en forma de malla triangular generalmente de 1 a 2 metros de lado. Se utilizan cuando las cargas a transmitir al terreno no son elevadas. Pueden ser procesos largos al ir asociados a la precarga.

c) Compactación dinámica

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Es el tratamiento de mejora de un suelo mediante la acción de esfuerzos dinámicos producidos por la caída libre de un peso desde una cierta altura sobre la superficie del terreno. El objetivo es el aumento de la capacidad portante del terreno por disminución del volumen de huecos del suelo y el consiguiente aumento de su densidad. El inconveniente principal de este método es el espesor de terreno a tratar, especialmente en presencia de niveles freáticos elevados, así como el tiempo de tratamiento que es difícil de asegurar a priori al ser un tratamiento que se da por aproximaciones sucesivas hasta la consecución del objetivo geotécnico marcado. d) Columnas de grava Este método consiste en introducir en el suelo blando una columna de grava compactada a modo de pilote y le da capacidad portante y de drenaje al terreno tratado.(GARCÍA J., 2012)

Figura 4: Secuencias en la ejecución de las columnas de grava, por vía seca y descarga inferior

2.3 APLICACIONES DE LAS TÉCNICAS DE MEJORA DEL TERRENO La mejora del terreno es una técnica que presenta grandes ventajas en obras en las que se presenten los siguientes problemas:    

Suelos blandos de estratos delgados o no muy profundos Suelos blandos de gran potencia con carga medias o bajas Cargas superficiales Obras lineales o superficiales para disminuir asientos diferenciales

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Por ello son idóneas en obras del tipo:        

Naves industriales y comerciales Almacenes Silos y depósitos Edificación baja y media Viviendas unifamiliares Depuradoras Terraplenes Rellenos

2.4 TÉCNICAS DE MEJORAMIENTO DEL SUELO POR DRENAJE 2.4.1 SUELOS AFECTADOS Como se mencionó en el ítem anterior, el agua afectará principalmente a suelos blandos; para complementar lo dicho se presenta la siguiente tabla: Tabla 1:CARACTEÍSTICAS DE UTILIZACIÓN DE LOS SUELOS

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3.1 DRENES DE ARENA CIMENTACIONES

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Esta clase de drenajes se utiliza en los casos en que se busca drenar un suelo fino con rapidez a la vez que se aplica una carga con el ánimo de aumentar su resistencia al esfuerzo cortante. Es otra manera de acelerar el asentamiento por consolidación de estratos de arcilla blanda normalmente consolidados y lograr la precompresión antes de la construcción de la cimentación deseada.(DAS B., 2011) 3.2 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN 1. Los drenes de arena se construyen taladrando agujeros a través de los estratos de arcilla en el campo a intervalos regulares y los agujeros Figura 5: DRENES DE ARENA

son rellenados con arena. Esto se logra de varias maneras: a) Por perforación rotatoria y luego rellenando con arena b) Por perforación con barrenas de paso continuo con vástago hueco y luego rellenando con arena (a través del vástago hueco) c) Hincando pilotes huecos de acero; el suelo dentro del pilote es expulsado con chorros de agua y después se procede a rellenarlo con arena. 2. Después de rellenar con arena los agujeros perforados, se aplica una sobrecarga en la superficie del terreno. Esta sobrecarga incrementa la presión de poro del agua en la arcilla 3. El exceso de presión de poro del agua en la arcilla se disipa por drenaje, vertical y radial, hacia los drenes de arena, lo que acelera el asentamiento del estrato de arcilla Para determinar la sobrecarga que debe aplicarse a la superficie del terreno y el tiempo que tiene que ser mantenida, usar la ecuación:

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En la fórmula las variaciones representan las sobrecargas, mientras que el valor de Uv,r es el grado promedio de consolidación. Si Uv,r puede ser determinado para cualquier tiempo t2, la sobrecarga total se obtiene como se muestra a continuación: Para una sobrecarga y duración t2, dadas, el grado promedio de consolidación debido a drenaje en las direcciones vertical y radial es:

Donde: Ur = grado promedio de consolidación con drenaje radial únicamente Uv=grado promedio de consolidación con drenaje vertical únicamente 3.3 FUNCIONES El sistema de drenaje de arena permite la mezcla de componentes para la mejora de suelo, como agentes y agentes antiseparación, con la arena que queda en un revestimiento. Sin embargo, la instalación de los drenes de arena puede alterar mucho la estructura del suelo; ya que, puede disminuir su permeabilidad y su resistencia, y aumentar la compresibilidad. La alteración es especialmente grande si los drenes se forman con un mandil que desaloja el suelo. El no considerar o no disminuir estos efectos desfavorables ha dado por resultado malas instalaciones.

3.4 DISEÑO EN DRENES DE ARENA EJEMPLO 1 Durante la construcción de un puente de una carretera, la carga permanente promedio sobre el estrato de arcilla se espera que aumente en aproximadamente 115 KN/m2. La presión de sobrecarga efectiva promedio a la mitad del estrato de arcilla es de 210 KN/m2. Aquí Hc=6m, Cc=0.28, e0=0.9 y CV =0.36m2/mes. Adicionando algunos drenes de arena; suponga que rw=0.1m, de=3m, CV =CVT, y que la sobrecarga se aplica instantáneamente. La arcilla esta normalmente consolidada. Determine: a) El asentamiento por consolidación primario total del puente sin precompresión.

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b) La sobrecarga, (f), necesaria para eliminar todo el asentamiento por consolidación primaria en nueve meses mediante precompresión. Solución:  Parte a El asentamiento por consolidación primaria se puede calcular con la siguiente ecuación:

SC(P) = 167.7 mm  Parte b Se tiene TV = CVt2/H2 Cv = 0.36 m2/mes H = 3m (drenaje en dos sentidos) t2= 9 meses

De las tablas 14.5 para n = 15 y Tr = 0.36, el valor de Ur es aproximadamente de 77% de aquí: Uv,r= 1-(1-Uv)(1-Ur) = 1-(1-0.67)(1-0.77) = 0.924 = 92.4%

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4.1 DRENES VERTICALES O DRENES DE MECHA La estabilización del suelo mediante drenaje vertical se aplica en terrenos comprimibles y saturados de agua, como los de arcilla y turba. Estos tipos de suelo se caracterizan por una estructura extremadamente débil y por una gran cantidad de poros, los cuales suelen estar llenos de agua (agua intersticial). Cuando sobre un suelo arcilloso o arenoso se coloca una carga pesada, algo como el lecho para una vía, una elevación de arena o un dique, se pueden originar importantes desmoronamientos del terreno debido al flujo de agua intersticial. Estos desmoronamientos originan en muchas ocasiones importantes problemas de construcción. 4.2 MEJORA DEL SUELO La carga que ejerce sobre el subsuelo una elevación del terreno es inicialmente totalmente absorbida por el agua intersticial. Esto hace que aumente la presión del agua subterránea. Cuando el terreno no drena bien, la presión del agua subterránea disminuirá muy lentamente ya que el agua intersticial no fluye bien. Una presión elevada del agua subterránea puede originar inestabilidad en el subsuelo, lo que puede producir corrimiento de tierras en el lecho de la vía. Esta inestabilidad haría disminuir el ritmo en que se realiza la elevación. Un sistema de drenaje vertical posibilita una ejecución más rápida y disminuye el riesgo de corrimientos.

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Figura 6: MODO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DRENES VERTICALES

4.3 TIEMPO DE CONSOLIDACIÓN Para acelerar el proceso de asentamiento y la disminución de presión del agua, es necesario acortar el camino que debe recorrer el agua intersticial a través del suelo. Esto es posible mediante la colocación de drenajes verticales en el suelo situados a distancias regulares. Debido a este sistema de drenaje, el agua intersticial, que se encuentra a una elevada presión, tiene la posibilidad de fluir en dirección horizontal hacia el drenaje más cercano, después de lo cual podrá ser libremente eliminada. Utilizando los drenajes verticales, el proceso de consolidación se puede reducir, en la mayoría de los casos, de unas decenas de años a medio año o menos. Con la ayuda de un sistema de vacío se puede utilizar la presión atmosférica como compresión extra para lograr una mayor aceleración o como presión sustitutoria. Al no ser necesaria una sobreelevación temporal, se previene la inestabilidad. 4.4 APLICACIÓN  Construcción de carreteras, ferrocarriles,  Aeropuertos y diques  Proyectos de desecación de tierras  Construcción de puertos  Zonas residenciales e industriales  Sobrecarga de terrenos de almacenaje  Eliminación de los gases en vertederos. 4.5 VENTAJAS DEL SISTEMA  Escasa alteración de las distintas capas del suelo  Garantizada evacuación del agua, también con elevado empuje de tierras y deformaciones CIMENTACIONES

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 Corto periodo de consolidación mediante la aplicación de pequeñas distancias de drenaje  No es necesaria el agua durante la instalación  Instalación hasta una profundidad de drenaje de 65 m  Sencillo control sobre la instalación.  Ejecución por golpes, no se desprende la tierra

Figura 7: UTILIZACIÓN DE LOS DRENES DE MECHA

4.6 DISEÑO EN DRENES PREFABRICADOS VERTICALES 4.6.1 Aspectos a considerar en la elección del dren vertical. Los drenes proporcionan una nueva trayectoria para que el agua que está en los poros escape del suelo en consolidación recorriendo una distancia más corta de la que sería necesaria sin ellos y por lo tanto la velocidad de escape del agua se incrementa; también permite que el flujo dentro del suelo sea en la dirección horizontal. Se ha expresado la opinión de que la alteración del suelo durante la colocación del dren puede provocar una drástica disminución en la permeabilidad y de la resistencia al esfuerzo cortante y un incremento de la presión de poro, lo que puede disminuir el beneficio esperado de los drenes verticales. (CASAGRANDE y POULOS, 1969). Un razonamiento que puede conducir al uso de drenes verticales, es el considerar los resultados de consolidación unidimensional de las pruebas de laboratorio. Por ejemplo, en cierto caso, el tiempo requerido para alcanzar el 80% de consolidación en una pastilla de suelo de 2cm de espesor fue de 3.7 hrs. Si este resultado se traslada a un caso real en el que el estrato de arcilla tiene un espesor de 6.5m y está entre dos estratos permeables (lo que está modelado con las piedras porosas en el

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consolidómetro), entonces el tiempo requerido para alcanzar el 80% de consolidación se puede estimar con la relación:

Dónde:  t1, es el tiempo requerido para alcanzar el 80% de consolidación en la prueba de laboratorio.  t2, es el tiempo necesario para alcanzar el 80% de consolidación en el estrato real de suelo que se está modelando con la prueba de laboratorio.  He1, es la distancia máxima que recorre una partícula de agua en la muestra de suelo que está siendo consolidada unidimensionalmente. En función de las condiciones de drenaje que tiene el estrato de análisis en campo, la probeta de suelo en el laboratorio puede ser drenada por una o por ambas caras (superior e inferior). Así que He1 puede ser el espesor completo de la probeta si solo está drenada por una cara o será la mitad del espesor si la probeta está drenada por ambas caras ya que el agua puede salir por arriba y por debajo de la probeta.  He2, es el valor equivalente a He1, pero respecto al estrato de suelo en campo.

4.6.2 Factores que intervienen en el diseño del dren vertical. Para elegir las características geométricas de los drenes y su separación en planta, se hace el siguiente análisis: Cuando se colocan drenes verticales en un suelo, el drenaje ocurre tanto en planos verticales como en planos horizontales y por lo tanto en el método de diseño se debe tomar en cuanta dicha condición de flujo. La evaluación de la consolidación vertical por drenaje vertical se basa en la teoría de la consolidación unidimensional propuesta por Terzaghi (1943); el promedio de consolidación en un suelo homogéneo está expresada por:

Ecuación 3.1.2.1

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Dónde: Uv = Promedio de consolidación vertical. N = numero entero, para tomar en cuenta únicamente los valores impares de la serie senoidal infinita.

Cv= coeficiente de consolidación vertical que depende de la estructura del suelo y del cambio de esfuerzos debido a la cargas externas; t=tiempo para alcanzar cierto grado de consolidación; He= distancia efectiva que tiene que recorrer una partícula de agua para alcanzar la frontera permeable; Kv=coeficiente de permeabilidad vertical; mv=coeficiente de variación volumétrica; γw=peso volumétrico del agua. La solución de la ecuación anterior se presenta más adelante en la gráfica:

Figura 11: SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIA PARA FLUJO VERTICAL (Tv) Y PARA FLUJO RADIAL (TR)

La solución al problema matemático que representa el comportamiento de un suelo al ser sometido a flujo radial por los drenes verticales apareció posteriormente a la utilización de los drenes (Rendulic, 1935; Carrillo, 1942; Barron, 1944); lo cual es, un buen ejemplo, de la solución teórica después de la aplicación ingenieril El proceso de consolidación donde la compresión vertical ocurre solo por el drenaje radial se llama “consolidación radial”; si se considera que la permeabilidad del suelo es igual en cualquier dirección horizontal, que CIMENTACIONES

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tanto el agua como las partículas que conforman el suelo son incompresibles, que el agua llena totalmente los vacíos del suelo y que es aplicable la ley de Darcy, se puede demostrar que la ecuación diferencial que modela el cambio de presión de poro con el tiempo es la siguiente:

Dónde: r = radio de influencia del dren, calculado como más adelante se indica.

Cv ; Coeficiente de consolidación horizontal. Kh= ; Coeficiente de permeabilidad en la dirección horizontal. En la solución de la ecuación anterior, se deben tomar en cuenta, las condiciones iniciales: u=∆ p

para

t=0

y

rw< r