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PARTE ICapitulo l.Capitulo 2.

PARTE IICapitulo 3.Capitulo 4.Capitulo 5.Capitulo 6.Capitulo 7.

PARTE II ICapitulo 8.Capitulo 9.

l -s Capitulo 10.Capitulo 11.Capitulo 12.Capitulo 13.Capitulo 14.Capitulo 15.

PARTE IVCapitulo 16.Cap Itulo 17.Capitulo 18.Capitulo 19.Capitulo 20.Capitulo 21.Capitulo 22.Capitulo 23.

Contenido

INTRODUCCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Problemas planteados por el terreno en la ingenierfa civil, 15Introduccion a1 comportamiento del suelo, 31LA NATURALEZA DEL SUELO ..... . 39Caracterfsticas de los conjuntos de partfculas, 41Caracterfsticas de las particulas de un suelo, 53Presiones normales entre particulas de suelo, 65Resistencia al deslizamiento tangencial entre particulas de suelo, 75Formaci6n de los suelos, 85EL SUELO SECO . . . . ..... 109Esfuerzos en una masa de suelo, 111Pruebas de lab oratorio para determinar las propiedades esfuerzo-deformacion, 131Aspectos generales del comportamiento esfuerzo-deformacion, 137Resistencia al esfuerzo cortante de los suelos granu1ares, 151Relaciones esfuerzo-deformacion, 165Estructuras de retenci6n y taludes, 177Cimentaciones superficiales, 211Solicitaciones dinamicas del terreno, 243SUELOS CON AGUA - REGIMEN ESTATICO 0FLUJO ESTABLECIDO. 255E1 concepto de esfuerzo efectivo, 257Flujo unidimensional, 267Flujo bidimensional, 283Perrneabilidad de los suelos y condiciones de filtro, 299Aspectos generales del comportamiento esfuerzo-defonnaci6n con drenaje,313Resistencia al corte con drenaje, 323Relaciones esfuerzo-deformacion en procesos con drenaje, 337Estructuras de retenci6n de tierras en condiciones de drenaje, 347

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10 ContenidoCapitulo 24. Estudio de taludes en condiciones de drenaje, 371Capitulo 25. Cimentaciones superficiales en condiciones de drenaje, 395

PARTE V SUELOS CON FLUJO DE AGUA EN REGIMEN VARIABLE .. 411Capitulo 26. Presiones intersticiales producidas en procesos de carga sin drenaje, 413Capitulo 27. Teoria de la consolidacion, 429Capitulo 28. Comportamiento esfuerzo-deformacion con 0 sin drenaje, 447Capitulo 29. Resistencia al corte sin drenaje, 463Capitulo 30. Relaciones esfuerzo-deformacion en condiciones de carga sin drenaje, 479Capitulo 31. Estructuras de retenci6n y estabilidad de taludes en condiciones sin drenaje, 489Capitulo 32. Cimentaciones superficiales en condiciones de carga sin drenaje, 509Capitulo 33. Cimentaciones profundas, 523Capitulo 34. La mejora de las condiciones del suelo, 539

Apendice A.Apendice B.Apendice C.Indice, 575

Simbolos, 551Factores de conversion, 559Referencias, 563

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CAPITULO 1

P roblemas plan teados por el terrenoen la ingenieria civil

En su trabajo practice el ingeniero civil ha de enfren-tarse con muy diversos e importantes problemas plantea-dos por el terreno. El terre no le sirve de cimentacion parasoportar estructuras y terraplenes; emplea el suelo comomaterial de construccion; debe proyectar estructuras parala retencion 0 sostenirniento del terreno en excavaciones ycavidades subterraneas y el suelo interviene en gran m i-merode problemas particulares. Este capitulo describe lanaturaleza y el alcance de estos problemas de ingenieria,junto con algunos de los terminos que emplea el ingenieropara describirlos y resolverlos. Se incluyen algunos casosreales para aclarar el tipo de cuestiones que un ingenierodebe atender.ral trabajar con suelos.1.1 C IM EN T A C IO N E SPracticamente todas las estructuras de ingenieria civil,edificios, puentes, carreteras, tiineles, muros, torres, > cana-

les 0 presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tie-rra 0 dentro de ella. Para que una estructura se comportesatisfactoriamentc debe poseer una cimentacion adecuada.Cuando el terreno finne esta proximo a la superficie,

una forma viable de transmitir al terreno las cargas con-centradas de los muros 0 pilares de un edificio es median-te zapatas , como se ilustra en la figura 1.1. Un sistema dezapatas se denomina c imen tac ion s uper fi ci a l. Antiguamen-te, se empleaban, como zapatas, entramados de madera 0metal, capas de grava, etc., aunque actuaImente las zapa-tas son, casi sin excepcion, de concreto armado (*).

Edificio

Fig. 1.1. Edificio con cimentaci6n superficial por zapatas.* En Espana y otros paises es mas familiar cl termino horrnigdn.(N.T.)

Cuando el terreno firme no esta proximo a la superfi-cie, un sistema habitual para transmitir el peso de unaestructura al terreno es mediante elementos verticalescomo pilotes (Fig. 1.2), cajones , 0 pilas. Estos terminosno tienen una clara definicion que los distinga unos deotros. En general los cajones y pilas son de mayor dia-metro que los pilotes y requieren una tecnica particularde excavaci6n, mientras que los pilotes se suelen hincarpor golpeo. EI peso del edificio se transmite a traves delsuelo blando hasta una base firme que esta debajo, sinque practicamente ninguna parte de la carga del edificiodescanse sobre el terre no blando,

Edificio

Encepado~ ~Pilote

Suelo blando

RocaFig. 1.2. Edificio cimentado sobre pilotes.

El problema de proyectar con exito una cimentacion esmucho mas amplio que la simple fijacion de tamafios paralas zapatas 0 la eleccion del mimero correcto y el tamanode los pilotes.En muchos casos, el costa de la cimentacion de un edi-ficio se puede reducir mucho, aplicando a l suelo ciertos

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16 Introducciontratamientos. Por otro lado, algunas estructuras como losdepositos de acero, pueden cimentarse directatnentescbreun relleno de suelo especiaImente tratado, sin necesidadde recurrir a elementos estructurales. Asi pues, la palabracimentacion se refiere tanto al terreno situado bajo la es-tructura como a cualquier elemento que sirva para trans-mitir las cargas; es decir, cimentacion es todo aquellocuyo comportamiento estudia el ingeniero con el fin deproporcionar un apoyo satisfactorio y economico a unaestructura. De hecho, la palabra cimentacion se empleapara describir el material que soporta cualquier tipo deestructura como un edificio, presa, terraplen de carreterao aeropista. En el lenguaje modemo, el termino cimen-tacion superficial se emplea para describir un sistemaconstructive en el que las cargas de la estructura setransmiten directamente al terreno situado bajo la rnis-rna, y el de cimentacion profunda se apJica a aquelloscasos en los que se emplean pilotes, cajones 0 pilas para.transmitir las cargas a un terreno fume situado a ciertaprofundidad.En el proyecto de cualquier sistema de cimentacion, elproblema fundamental es evitar que se produzcan asenta-mientos suficientemente grandes para dafiar la estructurao dificultar sus funciones. La magnitud del asentamientopermisible depende del tamano, tipo y utilizacion de la es-tructura, tipo de cimentacion, causa de los asentamientosen el terreno y emplazamiento de la estructura. En lamayoria de los caS0S, el asentamiento entice no es el to-tal sino mas bien el diferencial 0 movimiento relativo dedos partes de la estructura.En la mayoria de las zonas urbanas de los Estados Uni-dos y Europa Occidental, los propietarios de edificiosrehusan aceptar asentamientos superiores a algunos centi-metros ya que pueden producirse grietas de aspecto pocoagradable, si los asentamientos son mayores. Por ejemplo,

la experiencia ha demostrado que asentamientosriores a unos 12 cm han producido el agrietamientomuros de ladrillo y mamposteria de los edificios sien los terrenos del M.LT.Sin embargo, cuando las condiciones del terrenmuy malas, los propietarios aceptan algunas vecesmientos importantes y el agrietamiento consecuenteel fin de evitar los costos notablemente superiorescimentaciones profundas respecto a las superficialeejemplo, en fa linea costera de fa ciudad de SantBrasil, se cimientan, directamente sobre suelo blandficios de apartamentos de 15 pisos. Asentamientosde 30 em son frecuentes. Se aprecian grietas en talficios, pero la mayorfa de elIos permanecen habitadoQuizas el casu mas clasico de malas condicioncimentacion sea el de la ciudad de Mexico. En estejemplo, el edificio del Palacio de Bellas Artes, quece en la Fig. 1.3, se mantiene en servicio aunquehundido 3.60 m respecto al terreno circundante. Ltantes, que antiguamente tenian que subir las eshasta la planta baja, deben bajarJas ahora hasta la mdebido a los grandes asentamientos.En estructuras que no son de edificacion, con frcia se suelen tolerar asentamientosimportantes. Amientos superiores a 0.50 m son bastante habitualescaso de estructuras flexibles, como depositos de almmiento y terraplenes. Por otra parte, asentamientosolo 0.02 cm pueden ser inadmisibles, en el casomentaciones para estaciones de radar y aceleradorecleares.Ejemplo de cimentacion superficialLa Fig. 1.4muestra eI Centro de Estudiantes delque tiene una cimentacion superficial fonnada po

placacontinua bajo todo el edificio. Es 1 0 que se dna una cimentacion por placa 0 por loza corrida.

Fig. 1.3. Palacio de las Bellas Artes, ciudad de Mexico, EI asenta-miento diferencial de 2 rn entre la calle y el edificio de la derechahizo preciso construir una escalinata a la que se iban aiiadiendopeldaiios segun progresaban los asentamientos. EI hundimiento ge-neral de esta parte de la ciudad es de 7 m (fotografla amablementeproporcionada por Raul Marsal) 0

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Fig. 1.4. Edificio con cimentaci6n superficial por placa.Peso del edificioCarga viva (personas,muebles, etc.)

=32,000 ton

Peso del terre no excavadoCarga neta sobre la arcilla

=5,000 ton37,000 ton

=29,000 ton=8,000 ton

rreno de la zona esta formado por los siguientes estratos,comenzando desde Ia superficie hacia abajo: una capa de_50 m de un relleno blando y limo organico; una capa de6 m de arena y grava; 22.50 m de arcilla blanda; y final-mente, un suelo firme y roca. EI peso del edificio vacio(denominado peso muerto) es de 32,000 ton. EI peso delmobiliario, ..personas, .Iibros, etc ..(lallamada sobrecarga deservicio 0 carga viva) es de 5,000 ton. Si se hubiera construi-do este edificio con su carga total de 37,000 ton sobre lasuperficie del terreno, se habria producido un asentarnien-to de aproximadamente 0.30 m debido a la consolidaciondel terreno blando superior. Un asentamiento de esta mag-nitud habria dafiado la estructura. La solucion de este pro-blema de cimentacion fue cimentar el edificio en unaexcavacion abierta en el terreno. El peso del terreno exca-vado fue de 29,000 ton, de forma que la carga neta aplicadapor el edificio al terreno fue de solo 8,000 ton. Por este sis-tema el asentamiento estimado del edificio fue de 5-8 em,valor que puede tolerarse.Este metodo dereducir la carga neta eliminando partedel terreno se denomina compensacion de cargas 0 flota-cion. Cuando la carga del edificio se compensa en partepor el terreno excavado, la tecnica se denomina de flo-tacion parcial; cuando se compensa totalrnente el peso sehabla de flotacion total. La cimentacion flotante de unaestructura se basa en el mismo principio que la flotacionde un barco. El barco desplaza un peso de agua igual alsuyo propio, de modo que las presiones en el agua a unacierta profundidad bajo el barco son las rnismas, indepen-dientemente de la presencia de este. Como el edificio dela Fig. 1.4 tiene un peso especifico medio aproximada-mente igual a la mitad delagua, y el peso especifico delterreno excavado es aproximadamente doble que el agua,el edificio deberia enterrarse aproximadamente la cuartaparte de su altura total para obtener una compensacion 0flotacion completa.En este caso particular, el ingeniero hubo de estudiar laeconomfa relativa de esta cimentacion superficial especial,2

Problemas planteados par el terreno en la ingenieria civil 17respecto a una cimentacion profunda por pilotes 0 cajo-nes. Despues de llegar a la conclusion de que era preferi-ble la cimentacion superficial, debio responder a cues-tiones como las siguientes:

I. ~A que profundidad debena cimentarse el edificioen el terreno?2. ~Habria que proteger la excavacion mediante unmuro 0 pantalla durante la construccion, para evitarla penetracion 0desprendimiento del terrene?

3. ~Seria necesario abatir el nivel freatico [drenaie)para excavar y construir la cimentaci6n? y, en casoafirmativo, ~que metodos debenan emplearse paraello?4. ~Habria peligro de dan os a los edificios adyacentes?(En capftulos posteriores sedemostrara que el descensodel nivel freatico bajo un edificio puede ocasionarasentamientos considerables. Resulta por ello, muyimportante la cuestion de como y durante cuantotiempo puede hacerse descender el nivel freatico).

5 ~Cuanto se asentana el edificio terminado? ~Seriaaniforme este asentamiento?6. i,Que esfuerzos y distribucion de los mismos debe-dan considerarse para el proyecto de la placa de ci-mentacion?

Ejemplo de cimentacion por pilotesLa Fig. 1.5 muestra el Centro de Materiales de M.I.T.,con cimentaci6n profunda sobre pilotes. El terreno de lazona es semejante al del Centro de Estudiantes, con la im-portante excepcion de que, en este caso, existe muy poca

o ninguna arena y grava. La carga total del edificio es de28,000 ton, compuesta por un peso muerto de 16,000 ton, yuna sobrecarga de servicio de 12,000 ton. EI peso muerto. del Centro de Materiales es menor que el del Centro deEstudiantes, principalmente debido a que el primero estaconstruido can materiales mas ligeros mientras que la so-brecarga de servicio es mayor, por efecto de la pesada

Fig. 1.5. Edificio con cimentacion profunda por pilotes.Peso del edificioCarga vivaPeso maximo total

= 15,650 ton= 12,200 ton.".,28,000 ton,

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18 Introducci6nmaquinaria que alberga. Las tres razones principales porlas cuales el Centro de Materiales se cimento sobre pilotesa~oyado~ ,en e1 terreno finne, en lugar de recurrir a unacimentacion flotante, fueron:1. La funcion a que estaba destinado el Centro de Ma-teriales e~a tal, que no resultaba aconsejable que 1aplanta baja quedara por debajo de la superficie delterreno.2. No existfa practicamente arena y grava sobre la cualcolocar la placa.3. Los multiples servicios subterraneos, en especial ungran tunel de vapor que atravesaba la zona, habrfanhecho la construccion de la placa cara y diffcil.

La cimentacion elegida estaba form ada por 537 pilotes,cada uno de enos con una capacidad de carga de 70 tonLos pilotes seconstruyeron perforando un taladro de Ion:gitud aproximadamente igual a los 3/4 de la altura com-prendida desde la superficie del terreno hasta el suelo fir-me; se coloco una camisa 0 tubo de acero de 32 ern dediametro en el taladro perforado hincandolo hasta el te-rreno firme, y a continuacion se relleno dicho tubo conconcreto. (El extremo del tuba se cerro con una placa deacero con el fin de evitar la entrada de tierra). Un pilotede este ~ipo se denomina pilote de punta (su punta es laque le sirve de base de apoyo; descansa sobre terreno fir-me, en oposicion al pilote de friccion 0 flotante que mo-viliza la capacidad sustentante del terreno a 1 0 largo deuna gran parte de su fuste) y tambien pilote colado insitu (en oposicion a un pilote prefabricado e hincado pos-teriormente). Se extrajo tierra, con ayuda de una sondahelicoidal, en las 3/4 partes de la longitud del pilote, conel fin. de reducir el aumento neto de volumen, bajo la su-perficie del terreno, por efecto de la introduccion de lospilotes. Si .no se hubiera realizado esta perforaci6n previa,la superficie del terreno en la zona edificada habrfa ascen-dido aproximadamente 0.30 m debido al volumen de los537 pilotes. Esta elevacion habrfa side inadmisible debidoa que habrfa 1evantado pilotes ya colocados, resultandopeligrosa por la posible perturbacion de la cupula queaparece en segundo plano en 1 a Fig. 1.5.Entre las cuestiones con que se enfrenta el ingeniero enel proyecto y construccion de una cirnentacion por pilotesestan:1. i,Que tipo de pilote debe emplearse?2. i,Cmil es la carga maxima adrnisib1e por pilote?3. i,Conque separacion deben colocarse los pilotes?4. i,Que metodo de colocacion debe utilizarse?5. i,Que variacion respecto a la vertical puede permitir-

se en un pilote?6. i,CuaI es la secuencia optima en la colocacion depilotes?7. i,Tendria el hincado de pilotes alguna influencia so-bre estructuras adyacentes?

Ejemplo de un terraplen sobre terreno blandoLa Fig. 1.6 muestra un terraplen de 10m de altura co-

locado sobre una capa de suelo blando de 9.60 m de espe-sor. La idea original era colo car sobredicha zona undeposito de 15 m de diametro y 17 m de altura, tal como

r---- - --~Dep6sitoI II I

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Edif ici ( l

~.~~ libre

" - T ap o n- ",

Problemasplanteados por el terreno en la ingenieriacivil 19

Pilote

Fig. 1.7. Edificio cimentado en un terreno expansivo.

deconcreto

ascensional (levantamiento) de estructuras. M~~S~tiamie'!:rtty;~~mm&~*~-~~mwi'.pM~4ie. t;~!R;a&."i~~~~.Al-gunos suelos, denominados ~s, poseen propiedadesde hinchamiento en grado relativamente elevado.Los problemas de levantamiento 0 hinchamiento sonbastante generales y de importancia econornica en aque-

lIos pafses que tienen regiones aridas, como por ejemploEgipto, Israel, Africa del Sur, Espana, el Suroeste de losEstados Unidos y Venezuela. En tales zonas, 188'saollila~ y GliNWiaew-e@ftl~~, ~~r~ad. E1 agua necesaria puede procederde la lluvia 0drenaje 0 por efecto de capilaridad, cuandouna capa impermeable se colora sobre la superficie delterreno, evitando asf la evaporacion. Evidentemente, cuan-to mas ligera sea una estructura tanto mas la Ievantara elterreno expansivo. Asi pues, los problemas de hinchamien-to suelen estar asociados con estructuras, ligeras comopequefios edificios (especialmente almacenes), vertedoresde presas y pavimentos de carreteras.

La Fig. 1.7 muestra una estructura ligera construida enCoro, Venezuela. En 1 a zona de Cora el terreno es muyexpansivo, conteniendo el mineral denorninado ~~. Bastantes edificios de Coro han sufrido dafios porlevantamiento. Por ejemplo, la solera y la losa de acceso aun hotel local, situadas sobre la superficie del terreno, alsufrir un levantamiento importante, se agrietaron severa-mente y quedaron muy irregulares. En el edificio de lafig. 1.7 se utilize un sistema que evita los dafios porhinchamiento del terreno, pero que resulta mucho mascaro que una simple placa superficial. En primer lugar,se abrfan agujeros en el suelo, donde se colocaban reves-timientos de acero para formar, a continuacion taponesy pilotes de concreto. Bajo el edificio y en torno a lospilotes quedaba un hueco que servia para reducir elhincharniento del suelo (al permitir la evaporacion) y, a1 a vez, dejaba espacio para que tal hinchamiento seprodujera sin perturbacion para el edificio.'

El problema principal del ingeniero consistio en selec-cionar el tamafio, capacidad, longitud, y separacion de lospilotes. Los piIotes ternan suficiente longitud para lIegarpor debajo de la capa del suelo susceptible de hincharsepor la presencia de humedad. La profundidad elegida eratal, que la presion de confinamiento, debida a la sobre-carga de tierras mas la carga minima del edificio, era sufi-ciente para impedir la expansion. .12 EL SUELO COMO MATERIALDE CQNSTRUCCIONEl suelo es el material de construccion mas abun-

dante del mundo y en muchas zonas constituye, dehecho, el iinico material disponible localmente. Desde elperfodo neolftico, la tierra se ha utilizado para la cons-trucci6n de monumentos, tumbas, viviendas, vias de co-municacion y estructuras para retenci6n de agua. Eneste apartado se describen tres estructuras construidascon tierra.Cuando el ingeniero emplea el suelo como material deconstruccion debe seleccionar el tipo adecuado de suelo,asf como el metodo de colocaci6n y, luego, controlar sucolocaci6n en la obra. Una masa de suelo colocada por elhombre constituye un ~ y el proceso se suele deno-rninar ~ Uno de los problemas mas habituales eneste tipo de construcci6n se debe a la gran diver-sidad de los puntos de extracci6n, denominados zonasde ~f'I!!IfI. Una parte esencial de la tarea del in-geniero es cerciorarse que las propiedades del materialcolocado correspondan a las supuestas en el proyecto,o modificar el proyecto durante la construcci6n, te-niendo en cuenta cualquier diferencia entre las pro-p ie dades de la obra construida y las que se con-sideraron en el proyecto.Ejemplo de una presa de tierra

La Fig. 1.8 es una seccion transversal de una presa detierra construida para crear un embalse. Las dos zonas prin-cipales de la presa son el ~~ y el!pie

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20 Introduccion

Nucleo 0 corazende a rc il la

Fig. 1.8.

~~: el micleo con su arcilla im-permeable hace que las filtraciones sean escasas; y el pie debloques de roca pesados y muy permeables, proporciona unaestabilidad considerable a la presa. Entre ambas zonas secoloca un filtro de grava para evitar el arrastre de las par-ticulas del suelo del nucleo hacia los huecos del enroca-miento. Entre el micleo y el embalse se coloca un manto debloques sobre un lecho de grava. Este manto evita la erosiondel micleo por lalluvia 0elagua del embalse. Ellecho de gravaimpide la penetracion de grandes bloques de roca del mantoen la arcilla, Este tipo de presa se denomina ~o gm-~ para diferenciarla de la presa de tierra ~~I(!tli

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Costa

Is la art i f icial

Planta

P ro ble ma s p la nte ad os po r e l te rre no e n la ingenieria civil 21

S ec ci on p or e l m u rod e r e ci n toFig. 1.9. Estaci6n maritima construida por relleno hidraulico,

hidraulico, alcanzo la altura deseada. Se combinaron tresfactores, la falta de terreno en la costa, el calado requeri-do para el atraque de gran des buques y la necesidad dedragar un canal en. el lago, para que esta construccion deuna isla artificial resultara una solucion excelente parasuplir las necesidades de puntos de atraque en esta zona.Sobre la isla artificial se construyeron depositos dealmacenamiento para diversos productos derivados del pe-troleo, Estos productos se transportan por tuberia desdela costa hasta los depositos de la isla y despues, se born-beandesde estes a los petroleros anclados en los dos atra-caderos que aparecen en la Fig. 1.9.Se realizaron numerosos sondeos de reconocimiento, enla zona adragar, con el fin de poder estimar el tipo derelleno .que se usana para la formacion de la isla. Esterelleno estaba formado principalmente por arcilla en for-ma de terrones duros, de tamano variable entre 2 y 15em, junto con un barro ligero de agua con limo y partfcu-las arcillosas en suspension. AI salir de la tuberfa debombeo, las particulas mas gran des se depositaban enprimer lugar, rnientras que las mas finas eran arrastradas aconsiderable distancia de la descarga de la tuberia. En unangulo de .la isla se dispuso un vertedero para permitir quevolviera al lago el exceso de agua arrastrada en la opera-cion de dragado.Para el proyecto de esta obra, el ingeniero debio resol-

ver entre otras, las siguientes cuestiones:1. i,Hasta que profundidad debia penetrar la pantallaen el terreno de cimentacion?2. i,Como debian arriostrarse lateralmente los pilotes?3. i,Cual seria el metodo mas conveniente para la colo-cacion del relleno? , es decir, i,como debfa colocarsela salida de la tuberia de dragado con objeto deconseguir que la parte mas firme del relleno estu-

viera en los lugares don de se producirian las ma-yores cargas sobre la cimentacion?4. i,Que valores de resistencia y compresibilidad delrelleno hidraulico debian emplearse para el proyectode las cimentaciones de los depositos, edificios e ins-talaciones de bombeo que se iban a colocar en laisla?

5. i,Donde se depositarian los finos del suelo que sa-Han del recinto de la isla por encima del vertedero?

Ejemplo de pavimento de carreteraUno de los usos mas comunes y extendidos del suelo

como material de construccion es en pavimentos (*) de

Fig. 1.10. Estacion maritima La Salina (cortesia de Creole Pe-troleum Corporation).

* En algunos pafses es mas habitual hablar de fumes -.eN.T.)

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22 IntroducciontIII

Superficiede rodamiento :,:. .

~ AcotamlentoBase - Mmmmr -

S ub ra sa nt e' m ej or ad aSubrasante

Fig. 1.11. Pavimento de carretera.

carreteras y aeropuertos. Los pavimentos pueden s er f le xi -bies 0 rfgidos. La funcion principal de un pavimentoflexible es repartir las cargas de rueda concentradas enuna superficie suficienternente grande para que no se pro-duzcan esfuerzos excesivos sobre el terrenode cimenta-cionv El pavimento rigido, formado por una loza deconcreto armado posee suficiente resistencia a flexionpara hacer de puente sobre las partes blandas de la cimen-tacion. El pavimento mas adecuado para cada caso par.ticular depende de la naturaleza del terreno, de los rna-teriales de construccion disponibles y de las funciones dela carretera.La Fig. 1.11 muestra un pavimento flexible de carre-tera proyectado para 100 pasadas por dfa y por carril de

un vehiculo con una carga maxima por rueda de 6,750kg. El pavimento elegido esta formado por una subrasanteme j or ada , conseguida a1 compactar los 15 ern superioresdel terreno natural; una capa d e base fonnada por 15 emde suelo del lugar, estabilizado con un 7 % en peso decementa portland y regado hasta la humedad convenienteel cual se compacto posteriormente; y una superficie d erodamiento constituida por 5 em de mezcla asfaltica fina,en caliente.En general, la base de un pavimento esta formada porgrava 0 piedra triturada. En el desierto en que se cons-truyo el pavimento de la Fig. 1.11 habia escasez de grava,pero existia gran abundancia de arena de medano, En estecaso fue mas economico rnejorar las propiedades de laarena local [estabilizacion] que transportar grava 0 piedradesde distancias mayores. EI agente estabilizante mas eco-nomico y el metoda de ejecucion de la base estabiIizadase definieron, a partir de un programa de pruebas 0 en-sayos de laboratorio, considerando diversos productos ymetodos constructivos.En el proyecto y construccion de esta carretera, el in-geniero debio tener en cuenta las siguientes cuestiones:

1. i,Queespesores deberian darse a las distintas capasdel pavimento para soportar las cargas previstas?2. i,Que porcentaje optirno deproducto estabilizantedeberfa emplearse con la arena de medano?3. l,Es aceptable la arena de medano para la mezclaasfaltica?4. l ,Que tipo y que porcentaje de asfalto proporciona-nael pavimento mas economico y satisfactorio?5. i,Que tipo y grado de compactacion deberia apli-carse?

1.3 TALUDES Y EXCAVACIONESCuando Ia superficie del terreno no es horizontalexisteuna componente del peso que tiende a provocar desliza-

,.

mientos del suelo, como se aprecia en el diagrama dezas de la Fig. 1.l2a. Si, a 10 largo de una superficietencial de deslizarniento, los esfuerzos tangencdebidos al peso propio 0 a cualquier otra causa (cagua de filtracion, peso de una estructura 0 de un tmoto) superan la resistencia al corte del suelo, se proun deslizarniento de una parte del terreno. Existenchos casos en los taludes naturales, terraplenes compdos y excavaciones, en que el ingeniero debe estudiaestabilidad de un talud, comparando los esfuerzos tanciales con la resistencia al corte a 10 largo de una sficie de deslizamientopotencial, es decir, debera reaun c d lc ul o d e e sta b il id a d .La Fig. 1.12a muestra un talud natural sobre el cuha construido un edificio. El incremento de esfuerzosgenciales provocado por el edificio y la posible dismcion de la resistencia al corte del terreno por el agufiltrada desde aquel puede ocasionar una falla del talucual pudo ser estable durante muchos aDOSantes dconstruccion. Deslizamientos de este tipo son frecueen la zona de Los Angeles, Cal.La presa de tierra que aparece en la Fig. 1.8 tienemicleo de tierra compactado cuya estabilidad fuesario estudiar. Durante el proyecto de esta presa separaron los esfuerzos tangenciales con la resistencicorte para diversas superficies potenciales de deslizamique pasan por el micleo arcilloso.Las Figs. 1.12b y c muestran excavaciones para unficio y una conduccion. La excavacion para el edificuna excavacion apuntalada 0 entibada y la de la concion es una excavacion s in apun ta l ar , en zanja. Al protar debe comprobarse que no se supera la resistencicorte del talud, ya que esto daria lugar a un derruhacia elinterior.

.//-- ./. . . . . . - : . . k ~ Superficie potenci___ -- wVT de des li z amien to(a)

v(c)(d)

Fig. 1.12. Taludes y excavaciones. a} Talud natural.b} Excavapara un edificio. c) Zanja para una conducci6n. dI Canal.

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Problemas planteados por el terreno en fa ingenieria civil 23

Fig. 1.13. Deslizamiento en arcilla marina muy sensible (quick clay) (cortesfa de Laurits Bierruml.

La Fig. 1.12d muestra el esquema de un canal. Gene-ralmente los canales se construyen excavando el terrenonatural; aunque a veces se construyencon bordos compac-tados. Los taludes laterales del canal deben tener sufi-ciente seguridad contra un deslizamiento del tipo yadescrito y contra los efectos del agua que circula por elinterior. Si no se dispone de una protecci6n adecuadacontra la corriente de agua, los costeros del canal puedensufrir erosion, 10 cual hace necesario eliminar continua-mente el azolve del canal y puede originar un deslizamien-to general de los taludes.La Fig. 1.13 muestra un espectacular corrimiento deun talud natural en arcilla sensible (*). La arcilla sensibleprocede de un deposito marino lixiviado posterionnentepor el agua freatica, La eliminacion de las sales de losporos del suelo causa una gran perdida de resistencia acualquier perturbaci6n de este suelo. El terreno del desli-zamiento de la Fig. 1.13 habria sido lavado durante milesde afios hasta que su resistencia fue insuficiente para so-portar el talud natural. Cualquier excavaci6n al pie deltalud 0 la adici6n de cargas habna acelerado el desliza-miento. Deslizamientos de este tipo son frecuentes enEscandinavia y Canada.Canal de Panama

La Fig. 1.14 muestra uno de los canales mas famososdel mundo, el Canal de Panama. La excavacion para elCanal de Panama comenzo en febrero de 1883, por unacompama francesa que pretendfa construir un canal al ni-vel del mar a traves del istmo de Panama, uniendo losoceanos Atlantico y Pacifico. La excavacion avanzo lenta-mentehas_ta el final de 1899, en el que los trabajos se* Quick clay. Tambien se denominan "arcillas susceptibles".(N.T.)

interrumpieron, debido a cierto mimero de problemas deingeniena y a las penosas condiciones de trabajo.En 1903, los EE.DU., firmaron un tratado con Colom-

bia que Ie garantizaba a ese pals los derechos para la cons-truccion, explotacion y control del Canal de Panama. Estetratado fue recusado posteriormente por el Gobierno co-lombiano. Como consecuencia de la rebelion en Panama ysu secesion de Colombia, los EE.UU., finnaron un tratadocon Panama en 1903 para el control de la zona del Canala perpetuidad.Los ingenieros que estudiaron el proyecto presentarondos soluciones: a) un canal con esclusas, cuyo costo se

estimaba en 147 millones de dolares y cuya construccionduraria unos 8 afios y b) un canal al nivel del mar, con250 millones de dolares de presupuesto y una duraci6n deconstruccion de 12 a 15 afios. E l Congreso eligio el canalelevado con esclusas, y la construccion comenz6 en 1907y acab6 en 1914. El costoreal de la obra fue de 380millones de dolares,E l Canal tiene una longitud de 82.5 km de un oceanoa otro, habiendo requerido una excavacion total de315.000,000 m3, de los cuales 129.000,000 m3 procediandel corte Gaillard que aparece en la Fig. 1.14. El anchominimo del Canal fue inicialmente de 90 m (en la zonade Gaillard), ensanchandose posteriormente a unos 150 m.El calado rmnimo del Canal es de 11.10 m (en el puertode Balboa, en la bajamar). ~ ..Durante la construcci6n se produjeron numerosos desli-zamientos, especiaimente en la formacion de la Cucaracha,una lutita muy blanda. (Los deslizamientos fueron lacausa del elevado costa de la construccion). El Canal seabrio al trafico en agosto de 1914; sin embargo, los desli-zamientos cegaron el Canal en varias ocasiones, durantepenodos desde unos pocos dfas hasta siete meses. El iilti-mo cierre fue en 1931,'aunque desdeentonces, en varias

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24 Introducci6nE je d el C an alt 45~

1 2 0 : ' 9 ~ : '~ - - - - - - _90 /: g . / '

.. 60 //8 10_,_~_~/~/_~~~;- __~ 1 : ~ : 7 ~ ~ - - - - - - - - - - ~ r .-r ~~culebraCucaracha

._ _ - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - -ulebra(a)

Fig. 1.14. Canal de Panama. a) Secci6n del deslizamiento de Culebra (Parte Estel. b) Deslizamientode Cucaracha enagosto de 1913. cl Barco navegando por el Canal en 1965.

ocasiones se han producido obstrucciones. La eliminaciondel suelo arrastrado en los deslizamientos y la erosion aunrequieren actualmente un mantenimiento constante me-diante dragas. En una zona los taludes laterales se estandesplazando hacia elCanaJa una velocidad de 8.40 m por afio.Lascaracteristicas de resistencia a largo plazo de las

lutitas blandas que constituyen las margenes del Canal dePanama; plantean al ingeniero un problema acuciante.Dado que los deslizarnientos a 10 largo del Canal parecenestar relacionados con las fracturas de las rocas y concaractensticas geologicas especiales, el estudio de los talu-des en estos materiales no se pueden hacer iinicarnenteapartir de consideraciones teoricas y pruebas de labora-torio. La solucion de este tipo de problemas depende, engran parte, de un buen conocimiento de la geologia yhace resaltar la importancia que la geologia puede teneren la practica de la ingenieria civil.

. 104 E S TR UC T UR AS E N T E RR AD ASY DE RE TE NC IO NCualquier estructura construida bajo la superficie delterreno esta sometida a las. fuerzas que ejerce el suelo encontacto con la misma. El proyecto y construccion de

estructuras enterradas 0 de sostenirniento constituye unafaceta importante de la ingenieria civil. En las paginasanteriores ya se han presentado ejemplos de estructuras deeste tipo; entre ellas estan los pilotes metalicos colocadospara la cimentacion de la Fig. 1.2, los muros de cerra-miento de 1a[parte enterrada de los edificios que aparecen

en las Figs. 1.4 y l.5, la pantalla de concreto que sirverecinto a Ia isla artificial de la Fig. 1.9 y el apuntalamieto de la excavacion que muestra la Fig. 1.12b. Oejemplos habituales son los tuneles de ferrocarril 0 catera, los edificios subterraneos como centrales hidroeleccas, las obras de drenaje, los murosde retencion yoleoductos.La determinacion de las fuerzas que actuan sobreestructura enterrada no se puede hacer en forma correcconsiderando unicamente la estructura 0 el terreno circdante, ya que el comportamiento de aquella dependdel comportamiento de este. Por tanto, el ingeniero d

tener conocimientos sobre la interaccion suelo-estructupara proyectar adecuadamente las estructuras sometidacargas de tierras.Ejemplo de estructura de retencion 0sostenimientoUn tipo habitual de estructura de retencion es elblest acado anclado, que aparece en la Fig. 1.15. Al ctrario de un muro de gravedad, el cual tiene una ampbase en contacto con el terreno de cimentaci6n y p

suficiente para que exista una fricci6n entre el suelo ybase del muro que evite un desplazarniento lateral excvo del mismo, el tablestacado anclado debe su estabilida la penetracion en el terreno de cimentacion y a un sima de anclaje proximo a su parte superior.El tablestacado representado en la Fig. 1.15 se cotruy6 como parte de un muelle de carga. Los buques acan a 1 0 largo del muelle y se cargan con los productalmacenados en 1a superficie de este. La carga se real

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mediante una gnia que se mueve sobre carriles paralela-mente al tablestacado.Para determinar la seccion transversal y la longitud deltablestacado, el ingeniero debe calcular los esfuerzos ejer-

cidos por el suelo sobre el muro {presiones laterales). Ladistribucion de estas presiones a 1 0 largo del muro depen-de, en gran parte, de los desplazamientos laterales que seproducen en el terreno situado junto al rnismo, y, a SUvez, estas deformaciones dependen de la rigidez del tables-tacado: un problema de interaccion suelo-estructura.

La eleccion de la longitud y seccion de las tablestacasy el proyecto de un sistema de anclaje es unicamente unaparte del problema. Tambien ha de tenerse en cuenta laestabilidad de todo el sistema frente a una falla general,en la que la superficie de deslizamiento podrfa pasar a tra-v es del relleno de tierras y bajo el extremo inferior deltablestacado. Este tipo de estabilidad general puede cons-tituir un problema mucho mas grave en el caso de tables-tacas ancladas que el proyecto del propio tablestacado.Las siguientes cuestiones deben tenerse en cuenta parael proyecto de un tablestacado anclado:1. i,Que tipo de tablestacado debe emplearse (materialy seccion transversa1)?2. i,A que profundidad debe penetrar el tablestacadoen el terreno delante del mismo?

3.i,Aque altura debe situarse el anclaje?4.i,Que longituddebe darse al mismo?5 "Que sistema de anclaje debe emplearse en el extre-mo.:dela barra?(Unmetodode anclaje. esemplearun gran macizo de concreto, 0muerto. Otro sistemaconsiste en una serie de pilotes incluyendo algunos.pilotes inclinados}.6. i,Cual es la distribuci6n de presiones sobre el ta-....blestacado?

Plenamar

Grava ar enosa

Arc il la b landa

T i ll ( se d iment o g la ci al )Roca

..Fig. 1.15. Tablestacado anclado.

Problemas planteados por el terreno en la i ng e ni er ia c iv il 257. i.Que tipo de drenaje debe colocarse para evitar quese desarrolle una importante presi6n hidrostatica di-

ferencial a ambos lados del tablestacado?8. i,Cmil es la minima distancia permisible entre el

tablestacado y la gnia cargada? (59,000 kg de car-ga total).9. "Que limitaciones, si proceden, deben imponerse alalmacenamiento de cargas sobre la superficie sosteni-

da por el tablestacado?Ejemplo de tuberia enterradaCon frecuencia se debe enterrar una tuberfa bajoun

terraplen elevado de ferrocarrilo carretera. Debido al rapi-.do crecimiento de la industria de tuberfas y a la construe-cion de impurtantes carreteras, ha aumentado grande-mente el mimero de instalaciones, de tuberias enterradas.Es t a s tuberias suelen se r de una chapa delgada de metal 0plastico, denominadas tuberias flexibles 0de una paredgruesa de concreto armado, denominadas tuberias r ig idas:Existen muy pocos casos en los que las tuberfas ente-rradas se hayan rota por aplastamiento bajo las cargasexteriores aplicadas. La mayor parte de las roturas produ-cidas han estado asociadas con: a} ejecuci6n defectuosa:b} cargas de construcci6n superiores a las delproyecto yc} flexi6n de la tuberia por asentamientos de la cimen-taci6n 0 hundimiento. Ante los excelentes datos de com-portamiento de muchos miles de tubenas enterradas, laconclusi6n obligada es que los metodos de proyecto yconstruccion quese utilizan habitualmente producen ins-talaciones con un amplio margen de seguridad. Sin embar-go, se ha publicado escasa informacion referente a la se -guridad real de estas instalaciones y a su grado de sobre-dimensionamiento, 1 0 que ha podido ocasionar un grandespilfarro de dinero .

La Fig. 1.16 muestra la instalacion de dos tuberfas deacero, de 760 rom de diametro cada una, con un espesorde pared de 9.5 mm , enterradas bajo un terraplen de 24m de altura en su eje, Con el metodo anahtico que seemplea usualmente, se obtuvo un valor de 19 em para lamaxima flecha 0 deflexion del tubo. La practica habitualindica un valor del 5 % del diametro del tubo, es decir,38 mm para un diametro de 760 rom, como maxima de-flexion admisible.En esta fasede la obra, se realizaron pruebas en labora-torio e in situ sobre las tuberfas instaladas. Empleando losdatos sobre caractensticas del suelo obtenidas en estaspruebas, se lleg6 al calculo de una deflexi6n de la tuberiade 8 rom, valor perfectamente seguro. El valor maximo dela deflexi6n de la tubena medido realmente fue de solo4,3 mm. Estas deflexiones indican la ventaja de una insta-laci6n controlada (as! como la inexactitud de los rnetodoshabitualmenteempleados para estimar las deformacionesde tubenas enterradas).El metodo de colocacion de las tubenas se indica en laFig. 1.16 y comprende las siguientes fases: realizaci6n delrelleno hasta la cota de la parte superior de las tuberias;excavacion de una zanja para las tubenas; conformaci6n amana de una cama de asiento para cada tuberfa, adecuadaala curvatura de la misma; relleno bajo condiciones cuida-dosamente controladas para conseguir un terre no compac-

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26 Introduccion

________ ~Conducci6~ nre~ ~ _

C am a r ec o rt ad a a m a n a .Ifs e g u n l a cu rva tu rad e l t ub aFig. 1.16. T u b er fa s e n te rr ad a s.

to en las partes laterales y una zona blanda encima decadatubo.

Los rellenos laterales compactos proporcionan a lastubenas, un apoyo lateral resistente, reduciendo asf sudeformacion lateral. Las zonas blandas tienden a provocarque la parte del terraplen situada directamente sobre lastuberfas se asiente mas que el resto, transmitiendo asiparte de la carga vertical al terreno situado fuera de lazona de emplazamiento de las tubenas; es el fenomenodenominado arqueo 0 efecto de arco.Como la carga vertical sobre las tubenas depende de laaltura del terraplen, se puede esperar que el asentamientode las tubenas sea maximo en el centro del terraplen,

Asi ocurrio en el ejemplo citado, en el cual el asentamien-to fue de 17 em en el ej e del terraplen y de s610 1 em enlos extremos del misrno. La tubena de acero flexible, demas de 100 m de longitud, podia resistir faci lmente unaflecha de 16 em .En este proyecto el ingeniero tuvo que seleccionar elespesor de las paredes de la tuberia y dirigir y supervisarla colocacion de las mismas.1.5 PRPBLEMAS ESPECIALES DE INGENIERIA DESUELOSEn los apartados anteriores se han comentado e ilustra-do algunos problemas habituales de la ingenierfa civil enlos que interviene la mecanica de suelos. Existen ademas

muchos otros tipo s de problemas de suelos que, aunquemenos usuales, tambien son importantes. En esta seccion~o' citaremosalgunos de elIos con objeto 'de dar una sinopsismas completa de la gama de problemas en los que resultautil la mecanica de suelos.

VibracionesAlgunos suelos granulares se pueden compactar facil-

mente mediante vibraciones. Los edificios que descansan

sobre tales suelos pueden sufrir asentamientos importtes, debido a la vibraci6n de la maquinaria que se insen ellos, tales como grandes compresores y turbinas.efectos de la vibracion pueden ser muy graves, cuandofrecuencia de la vibracion coincide con la frecuenciatural del terreno. Al advertir que las vibraciones puedcausar asentarnientos perjudiciales en una estructuraticular, el ingeniero puede elegir entre varios metodos pevitarlas. Puede aumentar la masa de la cimentaci6n,riando as! su frecuencia, 0 compactar e inyectar el sualterando de este modo su frecuencia natural y /0compresibilidad.Explosiones y terremotosDesde hace mucho tiempo, los ingenieros se han intesado en las ondas originadas por voladuras decantera

otras explosiones realizadas con fines constructivos yefectos sobre las estructuras. Se ha encontrado que elrreno, a t raves del cual pasan tales ondas, tiene una ginfluencia sobre las vibraciones que alcanzan los edificpr6ximos.Este problema ha alcanzado una dimension totalmennueva, debido al descubrimiento de los explosivescleares. La tecnica militar se ha interesado cada vezen el proyecto de instalaciones subterraneas que puedperdurar despues de sufrir una explosi6n nuclear mproxima. La Comi.si6n de Energia Atomica ha establecel programa "Plowshare" para considerar los usos paccos de las explosiones nucleares, como la excavacioncanales 0 trincheras d e carreteras. La posibilidad de exvar un canal a nivel del mar,en Panama, por tales mdos ha recibido unaatenci6n especial y ha plante adonueva serie de cuestiones, como la estabilidad de losludes formados por un proceso de voladura nuclear.Problemas semejantes se plantean a causa de los temotos. El tipo de suelo sobre el que descansa un edify el tipo de cimentacion del mismo influye en la ma

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Fig. 1.17. Deposito para almacenamiento de petroleo (cortesia deCreole Petroleum Corporation).tud de los danos que puede sufrir un edificio durante unterremoto. Los posibles efectos de los terremotos sobrelas presas han recibido iiltimamente mucha atencion. Elterremoto de 1964, en Alaska, origino uno de los desliza-mientos de tierras mas grandes que se conocen.EI almacenamiento de fluidos industrialesen depositos de tierra

E n la seccion 1.2 se describio una estructura de tierrapara la retenci6n de agua. Debido a que la tierra es unmaterial de construccion corriente Y barato, es de granutilidad para la construccion de embalses y depositos paraalmacenar agua 0 fluidos industriales. Una de las aplica-

P ro ble ma s p la nte ad os p or e l te rre no e n la ing en ieria c iv il 27ciones mas exitosas de esta tecnica ha sido el deposito detierra para el almacenamiento de aceites combustibles queaparece en la Fig. 1.17. Esta estructura, de una capacidadde 1.310,000 m3, se construyo por la decima parte delcosto de una serie de depositos convencionales de acero,ahorrandose asf aproximadamente 20 millones de dolares.Debido a la tension interfacial entre el agua y ciertos flui-dos industriales, el suelo de grano fino compactado y hume-do puede emplearse para el almacenamiento, sin que seproduzcan fugas ni filtraciones.Otro ejemplo de esta aplicacion particular son los de-

positos para el almacenamiento de gas licuado a bajas tem-peraturas. Se han construido depositos en tierra para elalmacenamiento de propano licuado a -42C y para gasnatural licuado a -160C. AI introducir un liquido a tem-peratura tan baja en un suelo humedo se congela el aguaintersticial de este, Si el suelo tiene suficiente agua paraque no queden canales de aire intercomunicados, el suelose hace impermeable, tanto para el Iiquido como para elgas, una vez congelada el agua intersticial.

HeladaDebido a que ciertos suelos, bajo determinadas condi-

ciones, se dilatan al congelarse, el ingeniero se enfrentacon problemas de expansiones po r efecto d e la helada .Cuando suelos susceptibles a la helada estan en contactocon la humedad y experimentan temperaturas de congela-cion pueden absorber agua y sufrir una expansion muyimportante. La Fig. 1.18 ilustra espectacularmente la mag-nitud del hincharnientoque un suelo puede presentar encondiciones ideales. Este hincharniento ejerce fuerzas sufi-cientemente grandes como para desplazar y agrietar es-tructuras adyacentes, creando serios problemas en epoca

.Fig. 1.18. Hinehamiento por la helada. a) Muestra cuva altura aumento de 7.8 a 32 em illhelarse. b) Muestracon hinehamiento desde15a 30 em. cl Detalle de un suelo helado, (Fotograffas reprodueidas por eortesia de C.W. Kaplar del U.S. Army CRRELl .., - .. "

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28 IntroduccionMECANICA DE SUELOSPropiedades esfuerzo-deformacionEstudio teo rico de lossuelos

GEOLOGIA, EXPLORACIONComposicion estratigraficade los suelos

EXPERIENCIAPrecedentes -Soluc ionesque han resultadocorrectas en cadacircunstancia

ECONOMIA

+ CRITERIO DELINGENIERO SOLUCIONES a los~ problemas de Ingenier iade Suelos

Fig. 1.19. Proceso de resoluci6n de los problemas de Mecanica deSuelos planteados en Ingenierla Civil.

de deshielo, por el exceso de humedad. La descongelac ionde suelos helados suele proceder desde la superficie haciaabajo. El agua de fusion de hielo no puede ser evacuadahacia el terreno inferior helado, con 10 cual queda atrapa-da, reblandeciendo el suelo. El desplazamiento de cen-t ra l es f r igo r ff ic a s y pistas de patinaje es un ejemplo intere-sante de este f enomeno , pero es mas importante y exten-dido el dana producido a pavimentos de carretera en laszonas del mundo que alcanzan las temperaturas de conge-lacion. Los hinchamientos por la helada y los baches quese producen en el deshielo ocasionan numerosos inconve-nientes y gastos en muchas zonas del Norte de los EE.UU.,como Nueva Inglaterra.El ingeniero que proyecta carreteras y pistas de aero-

puertos en zonas con peligro de heladas debe selec-cionar una combinacion de drenaje y materiales de baseque impida la expansion por la helada, 0 proyectar el pa-vimento que resista el reblandecimiento del suelo queocurre en primavera, al fundirse el hielo.Hundimientos regionalesLa extraccion en gran escala de petroleo y agua del

terreno puede producir asentamientos importantes en unazona muy extensa. Por ejemplo, una zona de 41.5 km2 enLong Beach, California, ha sufrido asentamientos debidosa la extraccion del petroleo, con un asentamiento maximohasta la fecha de 7.50 m.A consecuencia de ello, en elastillero naval adyacente a la zona asentada ha habido queconstruir malecones especiales para protegerse del mar, yreconstruir los diques secos. La ciudad de Mexico ha lle-gado a asentarse hasta 9 m desde comienzos del siglo XXcomo resultado de la extraccion de agua para usos do-mesticos e industriales. El primer paso para reducir estehundimiento regional es localizar las tierras que se compri-men al extraer los fluidos, y estudiar metodos para sus-tituir los vohimenes retirados.1.6 LA RESOLUCION DE LOS PROBLEMASDE INGENIERIA DE LOS SUELOSHasta aqui, se han descrito en este capitulo algunos delos problemas que encuentra el ingeniero civil en la cons-

truccion sobre 0 en el interior del terreno y en obrastierra. La resolucion adecuada de cada problema supocasi siempre una combinacion de la mecanicade suelosde uno 0 mas de los factores citados en la Fig. 1.19.La geologia ayuda al ingeniero, ya que el metodoformacion de Una masa de suelo influye en el tamanforma y comportamiento del mismo. La exploracioayuda a establecer los contornos de un deposito y permal ingeniero la seleccion de. muestras para pruebas deboratorio. La experiencia, en el sentido que se le da aqno solo significa hacer, sino ademas valorar los resultadd e 10 que se hizo. Asi pues, cuando el ingeniero haceproyecto 0 resuelve un problema de suelos e interpretaresultados a partir de medidas in situ, ha adquirido ex. riencia. En general, se hace gran enfasis en la parte opetiva de la experiencia y muy poco en la interpretaci6nlos resultados de las obras realizadas. El ingeniero comptente debe continuar mejorando su caudal de experienccomparando el comportamiento previsto de una estructucon el comportamiento real.La economfa es un factor importante en la seleccide la mejor solucion entre las posibles. Aunque la valoci6n econ6mica detallada de una obra particular depende los precios unitarios en la zona en que se va a contruciertas ventajas economicas de un determinado metodobre otro pueden destacarse de las caracteristicas propde cada metodo.Este libro trata solo una componente del procesoresoluci6n de los problemas de ingenierfa de suelos:mecdnica de suelos, ciencia basica para la resolucionproblema. El lector debe tener presente que la cienciasi sola no puede resolver estos problemas.Casi todos los problemas de suelos son, en alto graestaticamente indeterrninados. Atin es mas importantehecho de que los depositos de suelos naturales presentcinco caractensticas que originan complicaciones:

1. Un suelo no posee una relacion lineal 0unica defuerzo-defornaacion,2. El comportamiento del suelo depende de la presiotiempo y del medio ffsico.3. El suelo es diferente, practicamente, en cada lug

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4. En casi todos los casos la masa de suelo que inter-viene en un problema esta bajo la superficie y nopuede observarse en su totalidad, sino que se debeestudiar a partir de pequef ias muestras obtenidas enpuntos localizados.5. La mayoria de los suelos son muy susceptibles a al-terarse, debido a la toma de muestras, por 10 que elcomportamiento medido en pruebas de laboratoriopuede ser diferente del del suelo in situ.

Estos factores se combinan para hacer que cada proble-ma de suelos sea particular y, para todos los efectos prac-ticos, imposible de una solucion exacta.La mecanica de suelos puede proporcionar solucionespara un modelo matematico. Debido a la naturaleza y d i-versidad de los suelos y a las condiciones de contomo 0frontera desconocidas, puede ser que el modelo mate-matico no represente exactamente el problema real. Alavanzar 1 a construcci6n y, a medida que se adquiere masinformacion, las propiedades del suelo y las condicionesde contorno se pueden rectificar, modificando adecuada-mente la soluci6n del problema.La interpretacion de datos insuficientes y contradic-torios, la selecci6n de los parametres del suelo, la modifi-cacion de una solucion, etc. requieren experiencia y granintuicion, es decir, el criterio del ingeniero. Si bien para la

Problemasplanteados por el terreno en la ingenieriacivil 29buena practica profesional, es esencial poseer un amplioconocimiento demecanicadesuelos,este criterio suele ser lacaracterfstica que distinguea los ingenierosmas destacados.PROBLEMA S1.1 Cite tres casos de importancia nacional 0 interna-

cional en los que haya intervenido la mecanica de suelos(por ejemplo, los amplios danos producidos por el terre-mota de Alaska en 1964).1.2 Describa el tipo de cimentacion empleado en unedificio construido recientemente en la zona donde ustedreside. Enumere las razones obvias por las que se hayaseleccionado este tipo de cimentacion.13 Partiendo de su experiencia personal, describa bre-vemente un proyecto de ingenierfa en el. cual influy6notablemente la naturaleza del terreno encontrado en elemplazamiento de la obra.1.4 Cite varias caracterfsticas del terreno y de una es-tructura por las cuales se prefiere una cimentacion porpilotes a una cimentacion superficial.1.5 Enumere las dificultades que pueden esperarsedebido a los amplios asentamientos del Palacio de BellasArtes que aparece en la Fig. 13.1.6 Indique las ventajas e inconvenientes de una ci-mentacion flotante.

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CAPITULO 2

Introducci6n atcomportamiento del suelo

En este capitulo se presenta una ojeada preliminar eintuitiva del comportamiento de un suelo homogeneo, Sepretendedar allector una idea general de.la forma en queel comportamiento del suelo difiere del de otros materia-les ya estudiados en mecanica de solidos y fluidos, indi-cando tambien las bases de la organizacion tematica dellibro. Para presentar claramente las diversas facetas delcomportamiento del suelo, se deja para capitulos poste-riores el estudio de los casos particulares, las excepcionesy los detalles.2.1 EL SUELO COMO SISTEMA DE PARTICULASSi examinamos un pufiado de arena de playa, se advier-te a simple vista que el suelo se compone de granos inde-pendientes. Lo mismo puede decirse de todos los suelos,aunque muchas partfculas de suelos son tan pequenas quese requieren las tecnicas microscopicas mas refinadas paradistinguirlas. Las particulas discretas que constituyen unsuelo no estan unidas tan fuertemente como los cristales

de un metal y por tanto pueden moverse con relativa li -bertad, unas respecto a otras. Las partfculas de suelo sons6lidas y no se pueden mover con la misma facilidad quelos elementos de un fluido. ~~G_ejl,j;e.,ruWh!,s,is~t.ieuw... Esta es la propiedadbasica que distingue la mecanica de suelos de Ia mecani-ca de solidos y fluidos. De hecho, la ciencia que trata elcomportamiento esfuerzo-deformacion del suelo puededenominarse mecdnica de sistemas de particulas, 0 sis-temas discontinuos.En los proximosupartados examinaremos las conse-cuencias de esta constitucion del suelo,2.2 NATURALEZA DE LA DEFORMACION DEL SUELOLa Fig. 2.1 muestra la seccion de un recipiente llenode suelo seco junto con un piston con el cual se puede

aplicaral suelo una carga vertical. Aumentando la escala deest a seccion hasta poder ver las partfculas individuales,podemos imaginar la forma en que la fuerza aplicada setransmite a traves del suelo: se desarrollan fuerzas de con-tacto entre particulas .adyacentes. Por convenio, estasfuerzas de contacto se pueden descomponer en fuerzas

normales N Y tangenciales Tala superficie de contacto.Por supuesto, las partfculas individuales se deformancomo resultado de estas fuerzas de contacto. Q.iip9 m as~~6t.h.es. d@.,nat~~4l & en las inmediaciones del punto de contacto. La frac-tura y aplastamiento de las particulas puede ser importan-te en ciertos casos (como comentaremos en capitulosposteriores). Estas deformaciones producen un aumentodel area de contacto entre partfculas, como muestra laFig. 2.2a, permitiendo asi la aproximacion de los centrosde las particulas. Si existen partfculas lajosas 0aminares,se flexionaran como se indica en la Fig. 2.2b, permitiendoas! movimientos relativos entre partfculas adyacentes.Ademas, una vez que la fuerza tangencial en un punto decontacto supere Ia resistencia tangencial en dicho punto,se producira un deslizarniento relativo entre las particulas(Fig. 2.2c). La deformaci6n general de una masa de suelosera, en parte, el resultado de las deformaciones individua-

(6)Fig. 2.1. Representacion esquernatica de la transmislon de fuerzas atraves de un suelo. al Arnptiacion de una parte de la seccion mos-trando las fuerzas transmitidas por dos puntos de contacto. bl Sec-cion de un recipiente Ilene de suelo.

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32 Introduccionles y, en parte, la consecuencia del deslizamiento relativoentre partfculas. Sin embargo, la experiencia ha demostra-do que la contribuci6n principal a la deformacion generalse debe al deslizamiento entre particulas, junto con lareorganizaci6n de las mismas. El esqueleto mineral delsuelo por 10 regular es bastante deformable, debido al des-lizamiento y reorganizaci6n de las particulas, aun cuandolas particulas individuales sean muy rigidas.De alii, la primera consecuencia de la naturaleza dis-

continua del suelo: /a~.ti6>~{!UJw_e ;tJtfH!I_duale".. ~.~~" '*t f~ Debido a que el deslizamiento es una deforma-ci6n no lineal e irreversible, se puede esperar que el com-portarniento esfuerzo-deformacion del suelo tambien seamarcadamente no lineal e irreversible", Adernas, el estu-dio de los fen6menos producidos en los puntos de con-tacto resulta fundamental para el estudio de los suelos e,inevitablemente tendremos que ocuparnos de conceptostales como la fricci6n y adhesion entre partfculas.Por supuesto, en una masa de suelo existe un sinmime-ro de puntos de contacto individuales. Por ejemplo, en 1ern" de arena fina el mimero de contactos sent del ordende 5 millones. Por tanto, es imposible plantear una leyesfuerzo-deformacion de un suelo, considerando el com-portamiento en los contactos, aunque pudieramos descri-bir exactamente 10 que sucede en cada uno de elios. Poresta razon, es necesario basarse en medidas de experimen-taci6n directa sobre las propiedades de sistemas con granmimero de partfculas. De todos modos, el estudio del com-portamiento en puntos de contacto tipicos aun desern-pefia un papelfmportante: sirve como guia para entendere interpretar las medidas experimentales directas. Estopuede relacionarse con el estudio de los metales: elcono-cimiento del comportamiento de un cristal individual y delas interacciones entre cristales, permiten entender el com-portamiento de la masa metalica y la forma de mejorar laspropiedades de la misma.Si el recipiente de la Fig. 2.1 es de paredes ngidas, el

suelo normalmente disminuira de volumen al aumentar lacarga. Esta disminucion de volumen se produce debido aque las partfculas se van encajando, acortando sus distan-cias. Se producen roturas tangenciales 0 de corte (desliza-mientos) en muchos puntos de contacto, pero no existeuna rotura general por corte de la masa de suelo. La cargavertical puede aumentarse sin limite. Este proceso sedenomina ~. Si se retira la cargaaplicada, la masa de suelo aumentara de volumen a travesde un proceso inverso que supone una redistribucion delas partfculas. Este proceso de aumento de volumen sedenomina 1Jf/i!lI~ 0 en algunos casos hffl~t~Si, por otra parte, el recipiente es de paredes flexibles,puede producirse una falla por corte general. La falla seproduce a cierta carga vertical y esta se relaciona con laresistencia al esfuerzo cortante del suelo. Esta resistenciaesta determinada por la resistencia al deslizamiento entrelas particulas que tienden a desplazarse unas respecto aotras.1 Esto quiere decir que Ia curva esfuerzo-deformacion no es unalinea recta, ni es iinica en ciclos de carga-descarga.

Pos ic ion despOI lsd e c ar ga r

P os ic io n a nte s d eeplicar carga

(b)

AntesDespOIls

(c)Fig. 2.2. Causas del movimiento relativo entre particulas dea) Movimiento producido por deformacion en la zona de conLas "'neas continuas sefialan el contorno de las partfculas despula carga (supuesta la inferior inmovil}: de trazos se muestra lacion inicial. b) Movimiento relativo por flexion de partfculasnares. cl Movimiento relativo por deslizamiento de una parsobre otra.

Las propiedades de compresibilidad, dilataci6n ytencia al corte se estudiaran con detalle en capftulosteriores.2.3 COMPORTAMIENTO DE LA FASEINTERSTICIAL: INTERACCION QUIMICALos espacios que quedan entre las partfculas de

se denominan vadas, huecos, paras a intersticios.poros suelen estar ocupados por aire y /0 agua (conmateriales disueltos), Asf pues, ~te~ formado por una fase midenominada ~ .. i 1 i w I G l l J mas una fase fluida 0~~-La naturaleza del fluido intersticial tiene influesobre la magnitud de la resistencia al deslizamientodos partfculas, dada la naturaleza quimica de la supede contacto, De hecho, en el caso de partfculas demuy delgadas, el fluido intersticial puede penetrar comtamente entre las particulas (ver la Fig. 2.3), Aunqueparticulas ya no estan ~n. contacto en el sentido uaun petmanecen muy juntas y pueden transmitir funormales y posiblemente tam bien tangenciales. La secion entre estas particulas aurnentara 0disminuira,

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Ij!'II!,

Partfculasminerales

(a) (b)Fig. 2.3. Pel fculas de Hquido rodeando partfculas de suelo. a)Antes de aplicar carga. b) Reduccion de la separacion entre par-t iculas par efecto de la carga.

jj

10 hagan las fuerzas de compresion transmitidas. Aquf en-contramos una nueva causa de deformacion general de lamasa de suelo.As! pues, se deduce una segunda consecuencia de lanaturaleza discontinua del sueIo: s t ' S H e W @(jo i~n8eee-

~ u nm tre ,rtlitt" 'fltf: >.1 ?tI :I 'itt: s - ji w J B . ) ' , i t J , . sle'M~8 . ,.f(lJl!(lt!&:i.ij_iieM:h:i~ffllZljflHIA:.aah edrill df 7IJSBl:tfN.rji6ieslHiflleNl~ .. ~~~~~6W ffll~I~~~~~~~~~~~~~~Esta interaccion entre fases se denomina interaccionquimica.2.4 COMPORTAMIENTO DE LA FASEINTERSTICIAL: INTERACCION FISICAVolvamos al recipiente con sueIo, pero considerandoahora un suelo cuyos espacios estan ocupados totalmentepor agua: es 10 que se denomina un suelo saturado.En primer lugar, supongamos que la presion de agua eshidrostatica, es decir, Ia presion en los poros, en cualquier

punto, es igual al peso especffico del agua por la profun-didad del punto considerado bajo la superficie del agua.En este caso no habra circulacion 0 flujo de agua (ver laFig. 2.4a).Supongamos ahora que se aumenta la presion de aguaen Ia base del recipiente, mientras que el nivel de la super-ficie de agua se mantiene constante por medio de un re-bosadero (Fig. 2Ab). En este caso, existira un flujo ascen-sional de agua. El caudal de agua que fluya estara enrelacion con la sobrepresion aplicada al fondo del reci-piente y con una propiedad del suelo denominada permea-bilidad. Cuanto mas permeable sea un suelo, mayor caudalde agua circulars para un determinado exceso de pre-sion. En los ultimos capitulos de este libro se consi-deran los factores que influyen sobre la permeabilidadde un sueJo.

Si la sobrepresion de agua en la base aumenta, se alcan-zara una presion para la cual la arena "hierve" bajo elflujo ascensional del agua (Fig. 2Ac). Se dice que se haalcanzado el estado de ebullicion 0 sifonamiento. Eviden-temente ha existido una interaccion f isica entre el esque-leto mineral y el agua intersticial.En este estado, eJ suelo ocupara un volumen algo su-perior al inicial, siendo la resistencia al corte del suelocIaramente inferior en el estado de sifonamiento que ensu estado normal. Estos cambios se produjeron, aunquetotales de arena y agua en el recipiente no hanYa hemos visto que se producen cambios dey de resistencia al corte, cuando varian las fuer-contacto entre las partfculas. De aquf que estas

Introduccion al comportamiento del suelo 33fuerzas de contacto han tenido que modificarse por loscambios de presion en la fase intersticial, 0 sea, que estasfuerzas de contacto han de estar relacionadas con la dife-rencia entre la presion que actua en senti do de la grave-dad (presion total} y la presion intersticial. Estas observa-ciones forman la base del importante concepto de presiono esfuerzo efectivo.Acabamos de ver por tanto una tercera consecuenciade la naturaleza discontinua del suelo: ~ ... tl""fJ~

_eltl~~~~~tNltftteAett_,-"mineKft.,qJt8i>i'OOtilij iGa Ja.,mgg.u,itl.l'i~~

2.5 COMPORTAMJENTO DE LA FASE INTERSTICIAL:CONTRIBUCION AL REPARTO DE CARGASPor ultimo, debido a que el sueloes un sistema de va-rias fases, puede esperarse que la carga aplicada a una

Superficiede l suelo N ivel d e a gu a

(a)

Rebosamiento

(b)

Se eleva~el depesitoa u n m as

(c)Fig. 2.4. lnteraccion fisica entre las fases mineral e.intersticial. a)Estado hidrostatico: el agua no circula. b) Pequeno flujode agua.c) Sifonamiento 0ebull'iclon.

, .

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34 In t roducc ion

Pistoneercso

(a)

Valvula

A gua apresion

(c) (d)

t'":!.,:::Ju. .

Tiempo-to

Disminuyepresiondel agua

(b)

N i ve l d e

(c)presiona l a gu a

Fuerzaaplicada

Fig. 2.5. Analog(a hidromecanlca para ilustrar la distribuci6n de cargas en la consolidaci6n.al Ejemplo fisico. blAnalogla hidrcmecanica: estado inicial. cI Carga aplicada con la valvula cerrada. dl EI piston desciende al irescapando el agua. .e) Equilibrio sin mas escape de agua. t) Transferenc ia gradual de carga.

masa de suelo la resistan el esqueleto mineral y, en parte,el fluido intersticial. Este "reparto de la carga" es analogoal concepto de presiones parciales en gases.

Los diagramas de la Fig. 2.5 nos ayudan a entendereste reparto de cargas. La Fig. 2.Sa muestra un cilindro desuelo saturado. El piston poroso permite aplicar cargas alsuelo y, a 1 a vez, deja que el fluido se escape de los porosdel suelo. La parte (b) muestra unaanalogfa hidromeca-nica en la que las propiedades del suelo se han idealizado:la resistencia del esqueleto mineral a la compresion estarepresentada por un muelle 0 resorte; la resistencia alflujo de agua a traves del suelo la representa una valvulaen un piston impermeable.Supongamos que se aplica una carga al piston de laanalogia hidromecanica pero que la valvula esta cerrada.La carga del piston se reparte entre el agua y el muelle,en relacion 'a la rigidez de cada uno. En nuestra analogiahidromecanica el piston se movera muy poco al aplicar lacarga, debido a que el agua es relativamente, incompresi-

ble. Como el muelle se acorta muy ligeramente, todcarga aplicada la resiste un incremento de 1 a presionagua en la camara , Las condiciones en. esta fase se resentan en la Fig. 2.Se.A continuacion abramos la valvula y la presionagua dentro de la camara obligara a que el agua escaptraves de la valvula (Fig. 2.Sd). Al escapar el aguamuelle se acorta y comienza a soportar una partecadamas importante de la carga aplicada, produciendosedisminucion correspondiente en la presion del fluidollena la camara , Por ultimo, se alcanza un estado (2.5e) en el cual el muelle resiste toda la carga aplicadapresion del agua vuelve a su valor hidrostatico inicial.vez que se alcanza este estado, el agua cesa de fluir povalvula.Durante cualquier intervalo de tiempo solamente puescaparpor la valvula un caudallimitado de agua. De aque el proceso de transmision de cargas del agua al mudebe producirse gradualmente. Esta variacion gradual d

. .

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