Empuje de tierras.docx

“AÑO DE LA INVERSIÓN PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA SEGURIDAD ALIMENTARIA”

CURSO: Mecánica de Suelos CICLO: IV ESCUELA: Ingeniería Civil ALUMNOS:

CÓDIGO:

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Avalos Vega Janeth

2112311126

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Huallanca Zanelli Jackelin

2112311032

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Ipanaqué Beltrán Jaquelin

2112311099

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Obregón Arteaga Rossmery

2112311249

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Vigo León Kathery

Docente: Ing. Erika Magaly. Mozo Castañeda Nuevo Chimbote –  Chimbote –  Perú  Perú 2013

ÍNDICE 1. Introducción 2. Justificación 3. Objetivos 4. Empuje de Tierras 5. Experiencia de Estudio de Suelos en Empuje de Tierras 6. Aplicación 7. Esquema de Fallas 7.1. Por deslizamiento 7.2. Por volteo o Rotación 8. Empuje Activo 9. Empuje Pasivo 10. Influencia de Rugosidad 11. Teoría de Coulomb 12. Teoría de Ranquine 13. Conclusiones 14. Recomendaciones 15. Bibliografía

INTRODUCCIÓN

En las vías terrestres se usan mucho las estructuras de retención para resolver numerosos problemas que se presentan con frecuencia. De continuo aparece la situación en que dos masas de tierra vecinas deben mantenerse a diferente nivel; es cierto que el talud es la solución típica para este problema, pero con frecuencia ha de recurrirse también al uso de estructuras de retención, sin embargo, aunque no es práctica común se evita sobre todo por razones de costo. Para definir el empuje de los suelos sobre las estructuras de retención, podemos decir en forma general, que en ellos se involucran todos los problemas que se le presentan al ingeniero para determinar las tensiones en la masa del suelo que actúan sobre una estructura. La mecánica de suelos se basa en varias teorías para calcular la distribución de tensiones que se producen en los suelos y sobre las estructuras de retención. Cronológicamente, Coulomb (1776) fue el primero que estudió la distribución de tensiones sobre muros. Posteriormente, Rankine (1875) publicó sus experiencias. En este capítulo se estudia el empuje de tierras contra muros de contención. Se verán dos teorías la teoría de Rankine y la teoría de Coulomb. Es muy importante comprender  bien la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos así como la técnica de las redes de flujo de agua para poder estimar la presión del agua en un muro de contención sometido a flujo de agua.

JUSTIFICACION

Por naturaleza, el suelo es el elemento más ampliado por el ingeniero civil para el desarrollo de gran variedad de obras civiles. Este le sirve como elemento de construcción, como soporte de estructuras y a su vez puede ser la estructura misma. En esa variedad de comportamiento, el suelo es sometido a una diversidad de solicitaciones que pueden ser estáticos o dinámicos y que generan perturbación en sus condiciones naturales y en su estado de esfuerzo. El ingeniero civil debe diseñar estructuras seguras y estables en el tiempo, teniendo en cuenta el nivel de perturbación que sufre el suelo, evaluando su comportamiento y nivel de esfuerzos a los que puede estar sometido.

OBJETIVOS

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Conocer el concepto de empuje de tierras

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Comprender la aplicación de empuje de tierra

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Estudiar los deslizamientos de la tierra, mediante la determinación de  parámetros de comportamiento mecánico de suelo y la evaluación de su respuesta ante la variación en los niveles de esfuerzo.

4. EMPUJE DE TIERRAS Se define el empuje de tierras como la acción que ejerce el terreno situado en el trasdós de un muro, sobre este y su cimentación. Experiencia de estudio de suelos en empuje de tierras y aplicación

5. TEORIA DE FALLAS Para establecer una teoría de falla cualquiera, es condición definir claramente lo que se entiende por falla, dentro de tal teoría. En términos generales no existe una definición exacta del concepto de falla; pero puede significar el principio del comportamiento inelástico del material o el momento de la ruptura del mismo, por así decirlo. Aceptando una teoría en la que la resistencia del material este expresada en términos del esfuerzo cortante máximo que resiste dicho material puede establecer el momento en que ocurre la falla estudiando la curva de esfuerzo cortante - deformaciones angulares.

6. FALLAS Son deformaciones frágiles. Los materiales se rompen y se produce un desplazamiento suficiente de los "fragmentos" rotos (sin desplazamiento no es posible visualizar las fallas). Generalmente las identificamos porque se ponen en contacto materiales de distintas edades. 

Elementos geométricos de las fallas

Al igual que en los pliegues, definir una serie de elementos geométricos en las fallas nos servirá para clasificarlas y averiguas ciertos aspectos sobre su origen.

Bloques o labios: cada una de las partes divididas y separadas por la falla. * Labio hundido: el que queda en posición inferior con respecto al otro. * Labio levantado:  se mantiene elevado con respecto al hundido.

* Muchas veces no se puede saber si se ha hundido uno o se ha levantado el otro. Sólo podemos observar el movimiento relativo de uno con respecto al otro.

Plano de falla:   el plano de rotura por el que se ha producido el desplazamiento. Sirve para orientar la falla.

Salto: es la magnitud del desplazamiento. * Salto lateral o en dirección: es el desplazamiento a lo largo del plano de falla medido en horizontal.

* Salto horizontal:  es el alejamiento de un bloque con respecto a otro medido en la horizontal. Es perpendicular al salto lateral.

* Salto vertical:  la distancia, en la vertical, que separa ambos labios. Es  perpendicular a los dos anteriores.

* Salto neto:  es la resultante de los tres anteriores. Frecuentemente se puede observar sobre el plano de falla unas estrías, denominadas estrías de falla . Nos indican la dirección del salto neto.

PARTES DE UNA FALLA

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Tipos de fallas Falla normal o directa:  el labio hundido se apoya sobre el plano de falla. Su origen es por fuerzas distensivas, dado que hay un aumento de superficie.

Falla inversa:  el labio levantado se apoya sobre el plano de falla. Se originan  por fuerzas compresivas. Hay disminución de superficie.

Falla vertical: sin salto horizontal. En realidad son muy raras. Falla en cizalla o en dirección:  no tiene salto vertical. Falla rotacional o en tijera:   el movimiento se produce por una rotación alrededor de un eje. El salto varía en magnitud a lo largo del plano de falla.

6.1.Esquema De Fallas Por Deslizamientos.-  Se refiere al proceso más o menos continuo y por lo general lento de deslizamiento ladera abajo que se presentan en algunas zonas superficiales de algunas laderas naturales. La falla por deslizamiento es muy peligrosa, más aún cuando se utiliza una sola línea central de refuerzo, porque ante las acciones sísmicas transversales, el muro se inclina sobre uno de sus bordes longitudinales, triturándolo y disminuyendo el área de corte para acciones coplanares que actúan simultáneamente con las transversales, como se ha reportado en sismos severos

Inclinación por 'creep' en la Torre de Pisa (Italia)

6.2.Esquema De Fallas Por Volteo O Rotación.-   Se describe ahora los movimientos rápidos o prácticamente instantáneos que ocurren en los taludes y que afectan a masa profundas de los mismos, con deslizamiento a lo largo de una superficie de falla curva que se desarrolla en el interior del cuerpo del talud, interesando o no al terreno de cimentación. Se considera que la superficie de falla se forma cuando en la zona de su futuro desarrollo actúan esfuerzos cortantes que sobrepasan la resistencia del material. La resistencia que se debe considerar en cada caso particular es una cuestión importante, basta decir que la

resistencia que se supone superada al producirse una falla rotacional es generalmente la resistencia máxima. Las fallas de tipo rotacional pueden producirse a lo largo de superficies de fallas identificables con superficies cilíndricas o concoidales cuya traza con el plano del papel sea un arco de circunferencia Desde luego las fallas rotacionales de forma circular ocurren por lo común en materiales arcillosos homogéneos o en suelos cuyo comportamiento mecánico este regido  básicamente por su fracción arcillosa. En general afectan a zonas relativamente  profundas del talud, siendo esta profundidad mayor sin considerar el terreno de cimentación. Al concluir las fallas circulares pueden afectar a masa muy anchas, en comparación con las dimensiones generales de la falla, en cuyo caso dan lugar a verdaderas superficies cilíndricas, o pueden ocurrir en forma concoidal , con un ancho pequeño comparado con su longitud.

Falla tipo rotacional

7. EMPUJE ACTIVO Cuando el elemento de contención gira o se desplaza hacia el exterior, bajo las  presiones de relleno. Es el empuje que se da normalmente en los muros que no tienen anclajes y no tienen coartado su movimiento en coronación (muros ménsula), ya que para su movilización es necesario un cierto desplazamiento del terreno, (en realidad basta con una deformación muy pequeña, en torno a milésimas de la altura del muro). Para el cálculo de dicho empuje se obtiene el coeficiente de empuje activo, que relaciona la presión vertical del terreno con la presión sobre una superficie dada.

Donde:

KA ≡ Coeficiente de empuje activo.

β≡

Ángulo en radianes que forma el plano del trasdós con la horizontal (medido  en

sentido contrario a las agujas del reloj).

φ’ ≡ Ángulo de rozamiento interno efectivo del terreno del trasdós (radianes). δ ≡ Ángulo de rozamiento entre el terreno del trasdós y el muro (radianes). i ≡ Ángulo en radianes que forma el plano de la  superficie del terreno del trasdós con la horizontal (medido en sentido contrario a las agujas del reloj). Notar que por estabilidad este ángulo no puede ser superior al ángulo de rozamiento interno φ’.

c’ ≡ Cohesión efectiva del terreno (kN/m2). Notar que este parámetro es muy variable con las condiciones de humedad y salvo estudio geotécnico que lo avale para terreno de trasdós, este valor debe ser cero, ya que afecta mucho a la seguridad del muro por reducir en gran medida el empuje.

σv’ ≡ Presión efectiva vertical (kN/m2). En el caso de un terreno del trasdós

homogéneo y sin nivel freático, es igual al producto del peso específico aparente del terreno por la profundidad.

σa’ ≡ Presión principal efectiva sobre el plano del trasdós (kN/m2). El ángulo q ue forma dicha presión con la perpendicular al trasdós del muro es igual a δ.

σah’ ≡ Presión efectiva horizontal sobre el plano del trasdós (kN/m2).

8. EMPUJE PASIVO Es el empuje que se produce como resistencia que opone el terreno del intradós al desplazamiento del muro contra él. Este empuje se moviliza con grandes desplazamientos del orden de la centésima parte de la altura, lo que añadido a la exigencia de que el terreno del intradós no varíe a lo largo de toda la vida de la estructura, hace que en la gran mayoría de los casos sea incompatible con las condiciones de funcionalidad y seguridad. Para el cálculo de dicho empuje se obtiene el coeficiente de empuje pasivo, que relaciona la presión vertical del terreno con la presión  principal sobre una superficie dada.

Donde: KP ≡ Coeficiente de empuje pasivo

β ≡ Ángulo en radianes que forma el plano del trasdós con la horizontal (medido en sentido contrario a las agujas del reloj).

φ’ ≡ Ángulo de rozamiento interno efectivo del terreno del trasdós (radianes).

δ ≡ Ángulo de rozamiento entre el terreno del trasdós y el muro (radianes).

i ≡ Ángulo en radianes que forma el plano de la superficie del terreno del trasdós con la horizontal (medido en sentido contrario a las agujas del reloj). Notar que por estabilidad este ángulo no puede ser superior al ángulo de ro zamiento interno φ’.

σph’ ≡ Presión efectiva horizontal sobre el plano del trasdós (kN/m2). c’ ≡ Cohesión efectiva del terreno (kN/m2). Notar que este parámetro es muy variable con las condiciones de humedad y salvo estudio geotécnico que lo avale para terreno de trasdós, este valor debe ser cero, ya que afecta mucho a la seguridad del muro por aumentar en gran medida el empuje pasivo.

σv’ ≡ Presión efectiva vertical (kN/m2). En el caso de un terreno del trasdós homogéneo y sin nivel freático, es igual al producto del peso específico aparente del terreno por la profundidad.

σp’ ≡ Presión principal efectiva sobre el plano del trasdós (kN/m2). El ángulo que forma dicha presión con la perpendicular al trasdós del muro es igual a δ, (ángulo de rozamiento muro-terreno).

Dado que el empuje pasivo es una fuerza estabilizante cuya consideración influye notablemente sobre el valor de los coeficientes de seguridad del muro; y dado que su movilización está condicionada por un desplazamiento excesivo del muro y por la no variación a lo largo de la vida de éste, de las condiciones del terreno del intradós (tanto en cota, como en características), las normativas suelen ser muy restrictivas en su utilización para cimentaciones superficiales. Debido a esto en el cálculo de la estabilidad de un muro normal se desprecia el empuje  pasivo y se considera como acción desestabilizante el empuje activo para muros ménsula no impedidos en su movimiento de flexión, y el empuje al reposo para muros de sótano o anclados (los cuales tienen restricciones en su movimiento de flexión).

También se debe de considerar el empuje al reposo en aquellos muros en los que se quiera ser muy restrictivo en su movimiento, debido a su afección a instalaciones o estructuras anexas muy sensibles al movimiento del muro.

9. INFLUENCIA DE RUGOSIDAD La mayor o menor rugosidad de una superficie depende de su acabado superficial. Éste,  permite definir la microgeometría de las superficies para hacerlas válidas para la función para la que hayan sido realizadas. Es un proceso que, en general, habrá que realizar para corregir los errores de forma y las ondulaciones que pudiesen presentar las distintas superficies durante su proceso de fabricación

CUANTIFICACIÓN DE LA RUGOSIDAD Tanto en aplicaciones industriales como en la vida cotidiana, el grado de rugosidad de las superficies es importante en ocasiones es deseable tener rugosidad ¨alta¨ y en otras ocasiones esta ocasión es indeseable. En algunos casos se busca que la superficie del producto terminado presente un mínimo de rugosidad, ya que esto le da brillo, mejor apariencia y disminuye la fricción de la superficie al estar en contacto con otra, reduciendo el fenómeno de desgaste y la corrosión o erosión de dichos materiales

CARACTERÍSTICAS DE LA RUGOSIDAD

RUGOSIDAD SUPERFICIAL Es el conjunto de irregularidades de la superficie real definidas en una sección donde los errores de forma y las ondulaciones han sido eliminados

10. MEDICIÓN DE RUGOSIDAD Los sistemas más utilizados son el de rugosidad:

Ra.- los valores absolutos de los alejamientos del perfil desde la línea central.la altura de un rectángulo de longitud lm, cuya área es igual a la suma de las áreas delimitadas  por el perfil de rugosidad y la línea central

Rz.- promedio de las alturas de pico a valles. La diferencia entre el promedio de las alturas de los cinco picos mas altos y la altura promedio de los cinco valles mas  profundos. Ry .- la máxima altura del perfil. La distancia entre las líneas del perfil de picos y valles.

Sus elementos principales son el palpador, el mecanismo de soporte y arrastre de este, el amplificador electrónico, un calculador y un registrador

RUGOSIDAD MINIMA (FOTO 1), RUGOSIDAD MAXIMA (FOTO 2)

11. TEORIA DE COULOMB Coulomb realizó la hipótesis de que, cuando un muro falla, el terreno se rompe a lo largo de superficies planas, tanto en activo como en pasivo. Este clip, hecho en el laboratorio de la Escuela, muestra las superficies de rotura

fue el primero en estudiar el problema de las presiones laterales del terreno y estructuras de retención. Coulomb se limitó a usar la teoría de equilibrio que considera que un  bloque de terreno en rotura como un cuerpo libre (o sea en movimiento) para determinar la presión lateral limitante. La presión limitante horizontal en fallo en extensión o compresión se determinan a partir de  K a y  K  p respectivamente.

Método de coulomb para suelos friccionantes Para analizar estos casos, con fricción entre el respaldo del muro y el suelo, se puede utilizar e método de la cuña, propuesto por coulomb en 1776, de hecho el primer intento racional para calcular empujes sobre muros de retención. En este método se considera que el empuje sobre un muro se debe a una cuña de suelo limitada por el parámetro del muro, la superficie del relleno y una superficie de falla desarrollada dentro del relleno, a la que se supone plana.

Método de coulomb para suelos con cohesión y fricción En la práctica, la mayor parte de las veces se obtiene para estos casos una suficiente aproximación si se considera a la superficie hipotética de falla como un plano que se extienda desde la base del muro hasta la zona de agrietamiento, Si se supone una cuña de deslizamiento, su equilibrio quedara garantizado por el de las siguientes fuerzas: el peso propio total W, calculando como el producto del área de la cuña por el peso especifico del suelo; la reacción entre la cuña y el suelo, con dos componentes, F debida a la reacción normal y a la fricción y C debida a la cohesión; la adherencia, C´, entre el suelo y el muro y, finalmente, el empuje activo E.

12. TEORÍA DE RANKINE La teoría de Rankine, desarrollada en 1857, es la solución a un campo de tensiones que  predice las presiones activas y pasivas del terreno. Esta solución supone que el suelo está cohesionado, tiene un pared que está friccionando, la superficie suelo-pared es vertical, el plano de rotura en este caso sería planar y la fuerza resultante es paralela a la superficie libre del talud. Las ecuaciones de los coeficientes para presiones activas y  pasivas aparecen a continuación. Observe que φ' es el ángulo de rozamiento del suelo y la inclinación del talud respecto a la horizontal es el ángulo β.

Para el caso en que β sea 0, las ecuaciones de arriba se simplifican como:

Teoría De Rankine En Suelos Cohesivos : En suelos puramente cohesivos para la aplicación práctica de las formulas que se obtienen es necesario tener muy presente que la cohesión de las arcillas no existe como propiedad intrínseca, sino que es propiedad circunstancial, expuesta a cambiar por el tiempo, sea porque la arcilla se consolide o  porque se expanda con absorción de agua. Por ello en cada caso es necesario tener la seguridad de que no cambie con el tiempo la cohesión, de que haya hecho uso en las formulas de proyecto. Desde luego que esta garantía es por lo menos, muy difícil de obtener.

13. CONCLUSIÓN Un suelo está en estado plástico cuando se encuentra en estado de falla incipiente generalizado Es de vital importancia para el diseño de un muro de contención, contar con la información necesaria y suficiente antes de elaborar el proyecto El estudio de la resistencia de las uniones adhesivas y de las rugosidades superficiales de distintos materiales es imprescindible para la obtención de uniones duraderas y seguras, pues estos sistemas en su vida útil son sometidos a distintos tipos de esfuerzos. El presente estudio nos permitió verificar que la rugosidad de una superficie influye en la adhesión de superficies. Nos indicó que al incrementar la rugosidad de una superficie la adhesión es mayor. La mayor o menor rugosidad de una superficie depende de su acabado superficial Cuando el material que forma la rugosidad es débil, la resistencia al corte es independiente del tipo de rugosidad. Esto se presenta porque al aumentar el esfuerzo normal sobre el plano de la discontinuidad se fractura el material que está formando la rugosidad y por consiguiente se genera una superficie con menor rugosidad.

14. RECOMENDACIONES Si el material de relleno que se colocara tras el muro es un suelo, este se recomienda que sea un suelo tipo fraccionante pues los suelos tipos cohesivos no son aptos para los rellenos, ya que la cohesión es un parámetro cuya variación con el tiempo es grande , difícil de prever y generalmente tendiente a disminuir su valor inicial, además los suelos cohesivos tienden a expandirse con la absorción del agua Se recomienda una buena supervisión en la construcción de un muro

15. BIBLIOGRAFÍA 

http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g2/Apuntes%20sobre%20Empujes%20de%20 Suelos.pdf

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http://books.google.com.pe/books?id=rU_pA257zUEC&pg=PA9&lpg=PA9&dq =EXPERIENCIA+DE+ESTUDIO+DE+SUELOS+EN+EMPUJE+DE+TIERRA S&source=bl&ots=xRojV7PjWw&sig=4vaTT49hJL2ZCNHGSwDsXn6QZ8&h l=en&sa=X&ei=rmgUfvGDa3d4APay4HoDw&ved=0CDoQ6AEwAw#v=onep age&q=EXPERIENCIA%20DE%20ESTUDIO%20DE%20SUELOS%20EN%2 0EMPUJE%20DE%20TIERRAS&f=false

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La Ingeniería De Suelos En Las Vías Terrestres Carreteras Ferrocarriles Y Aeropistas, Alfonso Rico Rodríguez Y Hermilio Del Castillo.

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Mecánica De Suelos II Eulalio Juárez Badillo