Tema 2 Esfuerzos Totales y Efectivos

FACULTAD DE INGENIERÍA

MECÁNICA DE SUELOS II  UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

TEMA 2  Principio de  Esfuerzo Total y  Efectivo en Suelos  PROFESOR: Ing. OSCAR DONAYRE CÓRDOVA  UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

Las fuerzas que actuan entre partículas individuales del suelo real, evidentemente, hace imposible el estudio de las fuerzas existentes en cada punto de contacto. Ya que las presiones reales dentro de la masa de suelos son anisotópicas. Por lo que es necesario emplear el concepto de ESFUERZO . Es así que el concepto de esfuerzo aplicado a los suelos, se entiende como los esfuerzos que existen en una masa de suelo debido: peso propio, al efecto de la presencia de agua en el suelo, al efecto transmitido de las cargas externas, descargas aplicadas y por último se harán representaciones geométricas útiles para comprender el estado de esfuerzos en un punto de una masa de suelo. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

ESFUERZOS GEOSTÁTICOS  El sistema de esfuerzos correspondiente al peso propio del suelo suele ser complicado. Sin embargo, existe la idealización en el que el peso del suelo da lugar a un sistema de esfuerzos muy sencillo: cuando la superficie del terreno es horizontal y cuando la naturaleza del suelo varía muy poco en dirección horizontal. Presentándose este caso muy frecuentemente, en especial en suelos de origen sedimentario. En tal caso, los esfuerzos se denominan  geostáticos. En lo descrito anteriormente se considera que no existen esfuerzos tangenciales sobre planos verticales y horizontales trazados a través del suelo. Por lo que el esfuerzo vertical geostático se calcula considerando el peso de suelo por encima de dicha profundidad. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

En suelos los esfuerzos de compresión se consideran matemáticamente como cantidades positivas.

Nivel del Terreno (N.T.)

h

γ: Peso Unitario del suelo

Esfuerzos Totales El esfuerzo vertical total ( v) en un punto es el esfuerzo producto del peso de los materiales componentes del suelo (es decir el geostático) que se encuentran por encima del punto considerado. v= γh Donde: “γ” es el peso unitario del suelo “h” es la distancia del punto a la superficie del terreno UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

Caso a El esfuerzo vertical total ( v) cuando el nivel freático coincide con la superficie del terreno v = γsat hw Donde: γsat peso unitario del suelo saturado Caso b El esfuerzo vertical total ( v) cuando el nivel freático está por encima de la superficie del terreno v = γw h1 + γsat h2 Donde: γsat peso unitario del suelo saturado UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

N.F. h1

γw

N.T.

h2

γsat

v

Caso c (experimental) El esfuerzo vertical total ( v) cuando el suelo está seco v = γd h Donde: γd peso unitario seco Caso d El esfuerzo vertical total ( v) cuando el suelo está parcialmente saturado v = γh Donde: γ peso unitario húmedo o parcialmente saturado UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

N.T.

h

γd

v

N.T.

S ≠ 100% h

γ ω>0

v

Caso general El esfuerzo vertical total ( v) cuando el terreno está conformado por varios estratos o capas de suelos v = γw h1 + γsat1 h2 + γsat2 h3 Donde: γsat1 peso unitario del suelo saturado tipo 1 γsat2 peso unitario del suelo saturado tipo 2 N.F. h1

γw

h2

γsat 1

h3

γsat

N.T.

2

v UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

Concepto de Presión de poro, presión neutra, presión intersticial o esfuerzo neutro ( ) Es la presión existente en el agua presente en los intersticios, vacios o poros de un suelo saturado. Por lo que se considera como un esfuerzo isotrópico dentro de la masa de suelo. En el caso que no exista flujo de agua la presión de poros  es igual a la presión hidrostática . Por lo que la presión intersticial (µ) en un punto determinado es igual al peso unitario del agua multiplicado por la distancia (h w) del punto al nivel freático. µ UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

= γw hw

Para obtener información de los niveles freáticos se pueden utilizar las siguientes alternativas, dependiendo de las características del estudio. Los observaciones se pueden hacer mediante: a) Pozos existentes; b) Superficies de agua libre (lagos, ríos, canales, manantiales o “puquios”, pantanos, vertientes, etc.); c) Tubos de observación especialmente instalados para tal propósito.

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Pozos de observación del nivel freático A) Pozo sin tubo

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B) Pozo entubado

En el caso cuando el N.F. coincide con la superficie del terreno, el esfuerzo neutro ( ) será: µ

= γw hw = γw (h1+h2)

N.T.

N.F. h1

h2

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Suelo 1

Suelo 2

En el caso cuando el N.F. se encuentra por debajo de la superficie del terreno, el esfuerzo neutro ( ) será: µ= γw hw = γw

(h1+h2-ho)

N.T. h1

N.F.

ho

Suelo 1

h2

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hw Suelo 2

Concepto de Ascención Capilar en Suelos En una masa de suelo, los espacios vacíos o intersticios interconectados pueden comportarse como tubos capilares de diversos diámetros. Por lo que la fuerza de tensión superficial puede ocasionar que el agua en el suelo ascienda por arriba del nivel freátio. La altura de ascención capilar dependerá del diámetro de los “tubos”, esta ascención capilar disminuirá con el incremento del diámetro de los “tubos”. Como estos en el suelo tienen diámetros variables, la altura de la ascención capilar no será uniforme. Siendo la µ en cualquier punto en la zona de ascención capilar aproximadamente a: µ=

-S γw h´

Donde h´= distancia medida hacia arriba desde el nivel freático UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

Ascención capilar La presión en el punto A dentro del tubo capilar, puede expresarse: µ

hc h´

A Nivel del agua

= -γw h´ (para h´= 0 a hc)

Zona de ascención capilar en el perfil del suelo

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h´

N.F.

Ascención capilar en suelos En las arenas y suelos finos debido al pequeño tamaño de los poros o vacíos se produce el fenómeno de ascensión capilar. Cumpliéndose el principio siguiente “mientras más pequeños son los poros la altura a la que asciende el agua por encima del nivel freático es mayor. A continuación se dan valores de la altura de ascención capilar (hc) expresada en metros para los suelos indicados en la tabla: Tipo de Suelo Arena gruesa 

Suelto Cr: 15% – 35% 0.03 – 0.12 

Denso Cr: 70% – 85% 0.04 – 0.15 

Arena media 

0.12 – 0.50 

0.35 – 1.10 

Arena fina 

0.30 – 2.00 

0.40 – 3.50 

Limo 

1.50 – 10.00 

2.50 – 12.00 

Arcilla  UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

≥ 

10.00 

Concepto de Esfuerzo Efectivo Considere un esfuerzo vertical en un punto A situado a una profundidad h 1+h2 debajo de la superficie del terreno. El esfuerzo vertical total en el punto “A” es: A

= h1γ + h2γsat

Luego se denomina esfuerzo efectivo vertical en A ( A´) a la diferencia entre el esfuerzo total en A menos la presión de poros en dicho punto, conociéndose también a esta presión efectiva como presión intergranular: A´

= h1γ + h2γsat - µ

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N.T.

h1

γ

N.F.

h2

γsat

A´

N.T.

h1

γ

N.F.

h2

γsat

A´

Esfuerzo Efectivo en “A” ( A´ ): UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

A´ A´

= h1γ + h2γsat - µ

= h1γ + h2γsat – γω (h2)

Esfuerzo en Condiciones Hidrodinámicas Cuando existe movimiento o flujo de agua, las presiones ya no se consideran hidrotáticas sino que pasan hacer presiones hidrodinámicas. En este caso, para conocer los valores de las presiones de poro es necesario medirlas “in situ”, lo que puede hacerse con la ayuda de la instrumentación geotécnica como son los piezómetros.

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Piezómetro (Tubo abierto o Casagrande) Un piezómetro es una tubería de diámetro pequeño, abierta en ambos extremos, generalmente no perforada (excepto en una sección pequeña, no superior a 10-20 cm), instalada revistiendo el pozo taladrado en el suelo de modo tal que no se produzcan filtraciones entre la pared exterior del tubo y el suelo y permitir que toda el agua que ingrese a su interior lo haga sólo por el extremo inferior.

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Piezómetro Tubo Abierto o Casangrande

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Instalación de piezómetro Tapa

Arena

Ranurado del Tubo

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Piezómetro abierto de cerámica

Sonda de nivel UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

OTROS TIPOS DE PIEZÓMETROS ÚLTIMA GENERACIÓN

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PIEZÓMETROS NEUMÁTICOS Piezómetros neumáticos o de Diafragma Hidraúlica

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Piezómetros neumáticos y lectora de presiones

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Piezómetros eléctrico o de Cuerda Vibrante

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Para el caso de Piezómetros de Tubo abierto o Casagrande Si se empleara con fines de monitoreo geotécnico los pizómetros de tubo abierto o Casagrande, se podría presentar los siguientes casos durante la instrumentación el cual se interpretaría de la siguiente manera:

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Cuando el nivel del agua en el tubo abierto coincide con el N.F. En este caso la presión de poros es igual a la presión hidrostática; por lo tanto no existe flujo ni movimiento del agua: N.T.

N.F.

h1

hp

A UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

µ

= γω (hp)

No hay flujo 

Cuando el nivel del agua en el tubo abierto se encuentra encima del N.F. En este caso la presión de poros es igual a la presión hidrodinámica; por lo tanto si existe flujo o movimiento del agua: N.T.

N.F.

hp >h1

hp

µ

h1

A UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

= γω (hp)

Existe flujo  ascendente 

Cuando el nivel del agua en el tubo abierto se encuentra por debajo del N.F. En este caso la presión de poros es igual a la presión hidrodinámica; por lo tanto si existe flujo o movimiento del agua: N.T.

N.F.

hp