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Diseño de cimentaciones superficiales, clase del dr alva universidad de ingeniería
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MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES
EC 521G DISEO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS
EXPANSIVOS 09 de abril del 2014
ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO
I. Generalidades
El problema de los denominados suelos expansivos alcanza dcadas atrs, siendo reconocido al final de la dcada del 30.
La presencia en el Per de "Suelos Expansivos" es evidente en la zona Norte y Sur. De aqu que se trata de dar un alcance y establecer el panorama real de la presencia de arcillas expansivas en un proyecto de cimentacin, para luego tomar precauciones en el diseo estructural de las cimentaciones apoyadas en este tipo de suelo.
1ro EVALUACION CUALITATIVA
2da EVALUACION CUANTITATIVA
Se traducen en : expansiones
asentamientos
Problemas mas gravas ocurren en construcciones ligeras, pavimentos de concreto, veredas, por el poco peso y porque generalmente no se estudio a fondo.
Suelos expansivos.
Es todo material que va en contacto con el agua experimenta cambios volumtricos significativos, que se traduce en movimientos del suelos de cimentacin, que se transmiten a la estructura afectando su funcionamiento, por medio de grietas o fisuras o de rotura de instalaciones.
Se dividen en dos categoras:
COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
1. Movimiento de una Construccin
a) Movimiento Ascendente: Comienza despus de terminada la obra, la construccin impide la evaporacin del area, favoreciendo la saturacin. Termina en 4 aos aproximadamente.
b) Movimiento cclico de expansin de la construccin: Relacionado con la cantidad y frecuencia de la lluvia.
c) Movimientos locales rpidos generados por rotura de tuberas que conducen agua
La magnitud del asentamiento o expansin depende de:
a) Espesor del estrato de arcilla expansiva.
b) Cantidad y tipo de minerales arcillosos.
c) Mezcla de las sobrecargas que recibe el estrato de arcilla y variacin vs profundidad.
d) Profundidad del nivel fretico.
e) Capacidad y Magnitud de succin del suelo.
f) Relacin de esfuerzo horizontal a vertical Ko.
g) Profundidad y naturaleza de los cambios de humedad. Estaciones (clima).
h) Fugas de agua en tuberas de drenaje o agua potable
II. Reconocimiento de los suelos
expansivos Un suelo expansivo, implica no solamente la
tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta el contenido de agua, sino tambin la disminucin de volumen o contraccin si el agua se va perdiendo.
Una manera de poder observar si un suelo tiene potencial de hinchamiento o si presenta expansividad es mediante las siguientes metodologas:
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Anlisis Mineralgico : es determinar las propiedades bsicas de las arcillas, mediante tcnicas adecuadas de laboratorio, los minerales que conforman la arcilla se pueden evaluar cuantitativamente.
Mtodo de los ndices: Los ensayos de propiedades ndices del suelo pueden ser usados para la evaluacin del potencial de hinchamiento de los suelos expansivos.
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Mtodo de los ndices
Estos ensayos son fciles de realizar y deberan ser incluidos en los ensayos rutinarios en la investigacin para un estudio de mecnica de suelos en aquellas reas donde existen antecedentes de presencia de suelos expansivos. Podran incluir los siguientes ensayos estndar.
Lmite lquido ........ (LL).
Lmite plstico........ (LP).
Lmite de contraccin... (LC).
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Holtz y Gibbs (1956): demostraron que el ndice plstico y el lmite lquido son ndices tiles para determinar las caractersticas de expansin de las arcillas.
El grado de peligrosidad
que ofrecen las arcillas
ha sido correlacionado
por Holtz y Gibbs en 1954
por medio de su lmite de
contraccin segn el
cuadro, que durante un
tiempo fue muy usada.
Lmite de
contraccin
Peligro de
Hinchamiento
12
No crtico
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Seed, Woodwuard y Lundgren: Considerando que el potencial de hinchamiento est definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente, la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul2 despus de ser compactada a la mxima densidad seca y al ptimo contenido de humedad, siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. Estos autores establecieron la siguiente relacin:
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Estos autores establecieron la siguiente relacin:
Donde :
S = potencial de hinchamiento
IP = ndice plstico
K = 3.6 x 10-5 (constante)
PI* K* 60 = S2.44
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Una relacin entre el potencial de hinchamiento de las arcillas y el ndice de plasticidad es como la que se presenta:
Indice de
plasticidad:%
Potencial de
hinchamiento
0 15
Bajo
10 35
Medio
20 55
Alto
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Ranganathan y Stayanarayana: En 1965, dan una tabla para reconocer la potencialidad de la expansin, dando un nuevo ndice de contraccin; en donde este ndice de contraccin es obtenido como la variacin del contenido de humedad correspondiente al lmite lquido y al lmite de contraccin segn la siguiente expresin:
IC = LL - LC
Donde:
IC = ndice de contraccin.
LL = Lmite lquido.
LC = Lmite de contraccin.
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Con la expresin anterior tenemos la siguiente correlacin:
Indice de contraccin (%)
Potencial de hinchamiento
0 20
Bajo
20 30
Medio
30 60
Alto
>60
Muy alto
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
G.F. Sowers: En 1961, propuso una correlacin basndose en las propiedades ndices de los suelos susceptibles a cambios de volumen.
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
PRESION DE HINCHAMIENTO David y Komornik (1969): , Propuso una ecuacin que se
utiliza para calcular la presin de expansin. Esta se encuentra basada en un extenso anlisis estadstico de ms de 200 muestras de suelo; la ecuacin propuesta por los autores es:
Donde:
Ps = Presin de hinchamiento ( kg/cm2 )
LL = Lmite Lquido (%)
d = Peso volumtrico seco (Ton / m3).
Wo = Humedad Natural en porcentaje.
)W0.0269( - )( 0.665 + 0.0208(LL) + 2.132 = P 0ds Log
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
VIJAYVERGIVA y GHAZZALY: en 1973 establecieron la relacin que determina la presin de hinchamiento para suelos espaoles y al menos es la ms usada en Espaa.
) 139.5 - LL 0.65 + 62.5 ( 19.5
1 = P d0 log
II. Reconocimiento de los suelos expansivos
Clculo de la Presin de Hinchamiento
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
Los mtodos ms satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de hinchamiento y presin de hinchamiento de arcillas expansivas, es por medio de las mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio.
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
ENSAYO DE EXPANSION LIBRE
El ensayo de expansin libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua, la cual se anota el hinchamiento vertical en funcin del tiempo sin la aplicacin de ninguna carga.
Holtz en 1956 present el ensayo como una prueba muy sencilla para reconocer una arcilla expansiva.
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
ENSAYO DE EXPANSION LIBRE
Lo que se busca en el ensayo de expansin es el porcentaje de hinchamiento libre, que es la diferencia en el volumen final e inicial, expresado como porcentaje del volumen inicial as:
Donde:
100* V
V - V = h%
i
if
L
libre tohinchamien = hL inicial Volumen = V ifinal volumen = V f
,
,
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
ENSAYO DE EXPANSION LIBRE Se presenta a continuacin los resultados de un ensayo como se muestra a
continuacin
POZO: C-2 MUESTRA: MI-1 PROF. (m): 1.90-2.10
CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN
Dimetro del anillo(cm) 6.350
Altura de la muestra inicial (cm) 2.540
Altura de la muestra final (cm) 2.780 Cont. de humedad inicial(%) 8.280
Cont. de humedad final (%) 21.37
Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 1.789
Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.508
Densidad hmeda final (gr/cm3) 1.830
Densidad seca final (gr/cm3) 1.652
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
ENSAYO DE EXPANSION LIBRE
CUADRO DE RESULTADOS
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA.
Se realiza este ensayo preparando el espcimen de un suelo inalterado, colocando dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un consolidmetro, con la ayuda del marco de carga y el dial de deformacin, se procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra.
La presin de expansin que se obtenga al final es la medida de la fuerza mxima por unidad de rea que pueda producir el suelo en condiciones de expansin extrema es la presin de expansin bajo carga controlada a continuacin se presenta un ensayo.
Metodologa: Existen tres mtodos a realizar el ensayo
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA ENSAYO 1 POZO : P-3 MUESTRA : MI-1 PROF. (m) : 1.90-2.10 CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN Dimetro del anillo(cm) 6.350 Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 Altura de la muestra final (cm) 2.628 Cont. de humedad inicial(%) 10.00 Cont. de humedad final (%) 35.60 Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 2.002 Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.820 Densidad hmeda final (gr/cm3) 2.385 Densidad seca final (gr/cm3) 1.759
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
CUADRO DE RESULTADOS
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
CUADRO DE RESULTADOS
IV. CRITERIOS PARA LA DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD PORTANTE
En la figura adjunta: La cimentacin se encuentra apoyada en un suelo con caractersticas expansivas donde:
III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
Donde:
df : Nivel De desplante de la cimentacin,
Pc : Presin de contacto
Pexp . Presin de expansin
P : Carga que transmite la super estructura a la cimentacin
B : Ancho del cimiento
qadm : Capacidad portante admisible del suelo
Criterios:
Pc qadm Pc Pexp Pc = P / B*L