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UNIVERSIDAD DEL SINÚ

GEOTECNIA VIAL

TALLER FINAL DEL MÓDULO

Docente: Felipe Andrés Lis Ramírez, I. C., MIG.

Presentado por:

Eduardo Miguel Naranjo Caraballo

Montería, julio de 2013.

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1. Describa los diferentes materiales que conforman el perfil de meteorización típico que da origen a los suelos residuales, mencione sus características y que tipo de proceso de remoción en masa podrían asociarse a cada horizonte en el caso de realizar un corte. Presente su resumen en una tabla.

Perfil de meteorización típico de Suelos Residuales:

Grado Descomposición Detalles de Diagnóstico en las Muestras

VI Suelo Todos los materiales de roca se convirtieron en suelo. La estructura y la textura de la roca fueron totalmente destruidas. No aparece textura reconocible de roca. El material generalmente es limoso o arcilloso y muestra un color relativamente homogéneo. Las capas superficiales pueden contener materia orgánica y raíces.

V Completamente descompuesta

Todos los materiales de roca se convirtieron en suelo. Roca completamente descompuesta, pero aún aparece textura de roca ligeramente reconocible. Los materiales son arenosos y friables si se sumergen en agua o se presionan con la mano.

IV Muy descompuesta El material de roca se encuentra en una etapa de transición para formar suelo. En sectores aparece roca y suelo. El material se encuentra totalmente decolorado, pero la fábrica se conserva y la estructura del macizo rocoso se mantiene parcialmente. Pedazos grandes que pueden ser destruidos con las manos.

III Moderadamente descompuesta

Los materiales de roca muestran decoloración parcial. La estructura y la fábrica de la roca se conservan completamente. Las discontinuidades comúnmente están rellenas de materiales ricos en hierro. Pedazos grandes que no pueden ser descompuestos por las manos (muestras tomadas con broca a rotación).

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Grado Descomposición Detalles de Diagnóstico en las Muestras

II Algo descompuesta Hay decoloración a lo largo de las discontinuidades y parcialmente, en la masa de roca. La estructura y la textura se conservan completamente. Aparece como roca sana pero tiene manchas con muestras de descomposición. Los ángulos de los fragmentos no pueden ser destruidos fácilmente.

I Roca sana No hay signos visibles de meteorización, aunque puede haber alguna decoloración en las superficies de las discontinuidades más importantes.

Por ejemplo, para un perfil de Suelo Residual, generado de Rocas Sedimentarias Arenosas tendremos:

El Horizonte superior, está compuesto para este caso particular, por Suelo de Origen Aluvio-Colovial, sobre un estrato de suelo residual generado por procesos de meteorización en el sitio. Para estos Horizontes estratigráficos, al realizar un corte podría generarse un proceso de remoción tipo CAIDA DE TIERRA, según la clasificación de Varnes. Por otra parte, para los horizontes compuestos por el Saprolito, y el Macizo Rocoso que vaya meteorizándose, el proceso de remoción según la clasificación de Varnes será de CAIDA DE ROCA. Ambos procesos de remoción son de acción rápida. En los suelos la probable desestabilización será causada por la falta de cohesión (arena), y en el sustrato rocoso su probable desestabilización dependerá del grado de meteorización que contenga.

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2. Durante los diseños preliminares de una vía se presume que en el suelo de fundación de un terraplén menor existe una capa de un limo orgánico que tiene un espesor de 1.6 m, ¿Qué esperaría encontrar durante la exploración del sub-suelo? ¿Qué ensayos de laboratorio ordenaría para confirmar si el suelo es realmente orgánico?, ¿Cuáles serían los problemas que podrían aquejar a la banca y a las estructuras de drenaje como las alcantarillas? Y finalmente ¿Cuáles serían las posibles soluciones a implementar para evitar daños en el tramo vial?

En primer lugar, esperaría encontrar en la etapa de exploración del subsuelo, evidencias visuales y/o de olor, que me indiquen que el suelo efectivamente tiene o proviene de material orgánico. El ensayo apropiado para confirmar su presunto origen es el de: “Determinación del contenido orgánico en suelos mediante pérdida por ignición (INV. E – 121-07)”. En caso de confirmar la presencia del limo orgánico en el tramo vial, tal y como inicialmente se supuso, debe hacerse algún tratamiento de estabilización, porque los suelos orgánicos son susceptibles a presentar asentamientos ante cualquier carga, conllevando a la deformación y posterior destrucción del terraplén y/o de las obras de drenaje como alcantarillas de tubo. Como ya se dijo, se debe aplicar alguna técnica que permita estabilizar la estructura proyectada; y en mi concepto, creo en primer lugar que, debe garantizarse un lleno mínimo de 60 cm en los materiales seleccionados de terraplén, es decir, donde el diseño geométrico de la vía no lo exija, la condición geotécnica imperará obligando a realizar los cortes o cajeos necesarios. Una vez conformada la subrasante, previos descapotes y/o explanaciones, y antes de los llenos del terraplén, ordenaría instalar Geotextil Tejido que me sirva de refuerzo y de correcta interfaz entre el limo orgánico y el lleno con materiales seccionados de la estructura vial.

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3. Teniendo en cuenta la siguiente sección geológica y que en talud

adyacente existe un afloramiento de agua, responda las siguientes preguntas: a. ¿Qué tipos de procesos de remoción en masa se están presentando?

Tenga en cuenta el sistema de clasificación de Varnes. b. ¿Cuáles son los principales factores geológicos y geomorfológicos que

afectan la estabilidad de la vía? c. ¿Qué obras de estabilización llevaría a cabo para estabilizar la sección

del terraplén en el mediano plazo?

a) La inestabilidad general está siendo causada por el estrato de arena. El estrato de arcilla de antiguo depósito, está sufriendo una reptación debido al flujo de la arena; esta reptación de la arcilla es una remoción traslacional, y según la clasificación de Varnes es un “Deslizamiento de Bloque de Tierra”. Ahora bien, como ya se dijo, el proceso de remoción de la arena se clasifica según Varnes como un “Flujo de arena húmeda”. Por otra parte, el terraplén arcilloso de la vía ha sido desplazado lentamente debido a la inestabilidad local antes citada. Este terraplén está sufriendo también un deslizamiento traslacional, su clasificación según Varnes es de “Deslizamiento de Bloque de Tierra”.

b) Se debe destacar como factor Geológico, la diversidad de materiales: lutitas (roca sedimentaria), arena, y arcilla de antiguo depósito, como principales componentes del corte litológico mostrado. Esta combinación de materiales determina el comportamiento general, debido a su posición y tal vez a efectos del agua en la arena. Ahora bien, el factor Geológico propiamente dicho que

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está causando la inestabilidad es el “Plano de estratificación” de la arena, que es la estructura geológica que causa la remoción en masa del conjunto. Por otra parte, el factor geomorfológico que contribuye a la inestabilidad local es la pendiente que tienen los estratos que les facilitan el movimiento.

c) En mi concepto, debe permitírsele la salida al agua sin que se genere movimiento en el estrato de arena para logra la estabilidad local. Para lograrlo podrían diseñarse las siguientes soluciones: (1) Drenes horizontales que intercepten el estrato arenoso, y construcción de

contrapeso de enrocado en la pata del talud para frenar el movimiento del terraplén.

(2) Retiro de los materiales originales del terraplén y reconstrucción del mismo mediante una trinchera drenante que permita la salida expedita del agua. Para impedir el desalojo de la arena se instalaría geotextil no tejido entre la arena y la trinchera.

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4. Determine los coeficientes de presión de tierra activos en condición estática y seudo-estática para el muro en gaviones que se muestra en la siguiente figura considere que la aceleración horizontal de diseño según la NSR-10 es de 0.12 g. Adicionalmente determine los factores de seguridad ante los mecanismos de falla de volcamiento y deslizamiento en la base. Para resolver este problema se recomienda revisar referencias como Ingeniería de Cimentaciones, Das Braja (4 ed.) considerando que el diseño de un muro de gaviones sigue la misma filosofía que el diseño de un muro en concreto.

a) Coeficiente de Presión lateral en condición estática (reposo)

Según Jaky (1944), similar al indicado en la NSR-10 (H.6.4.3): = 1 – seno( ) = 1 – seno( ) = 0.50

Se comenta además que, según Brooker e Ireland (1965) (ref. de Braja Das): = 0.95 – seno( ) = 0.95 – seno( ) = 0.45

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b) Coeficiente de Presión activa en condición seudo-estática: Antes de calcular el coeficiente de presión seudo-estática, me permito presentar los coeficiente de presión activa sugeridos por Rankine y Coulomb:

De acuerdo con Rankine (llenos o terraplenes horizontales, como en este caso):

= (

) = (

) = 0.3333

De acuerdo con Coulomb:

=

* √ ( )

+

Para nuestro caso: el lleno o terraplén del muro es plano (no tiene inclinación). la fuerza actina es normal al muro. es ortogonal el ángulo del muro respecto al suelo de fundación. Por lo tanto, la expresión de Coulomb queda así:

=

[ ] =

[ ] = 0.3333

De acuerdo con lo indicado en la NSR-10 (H.5.2.5): El coeficiente sísmico de diseño para análisis seudoestático de taludes KST tiene valor inferior o igual al de y se admiten los siguientes valores mínimos de KST/ , dependiendo del tipo de material térreo (reforzado o no) y del tipo de análisis.

Si la aceleración dada es 0.12g, entonces

= 0.67, de donde: = 0.67* = 0.67*0.12*9.81 = 0.79

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c) Revisión por deslizamiento:

Las fuerzas que impiden el deslizamiento son: la fricción en la base del muro (R’), y la fuerza pasiva que ejerce parte de la estructura vial (Pp).

Las fuerzas que impulsan el deslizamiento son: el empuje activo (Pa). El factor de seguridad al deslizamiento será:

= ∑

∑ =

=

Estas fuerzas son: = [∑ ] * tangente * ) + * *

Según Braja M. Das, en su quinta edición del libro de Ingeniería de Cimentaciones anota que los factores y varían entre 0.5 y 0.67 generalmente. Asumiré: = = 0.67. Por tanto,

*(

)

+ =

7.68 ton/m. También,

=

* * * + 2* *D*√

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Donde: = (45 +

) = (45 +

) = 3.124

=*

√ +=

= 1.56 ton/m.

Además,

= =

* * * + 2* *H*√

= (

) = (

) = 0.333

= *

√ + =

= 3.00 ton/m. Entonces:

=

= 3.08 > 1.50 Ok. El muro no se desliza.

d) Revisión por Volcamiento:

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Las fuerzas que generan momentos que impiden el volcamiento, respecto del Punto “A” son: el Peso de los Gaviones ( , y la fuerza pasiva que ejerce parte de la estructura vial (Pp), pero esta última se desprecia.

Las fuerzas activas que generan momentos que impulsan el Volcamiento, respecto del punto “A” son: el empuje activo (Pa).

El factor de seguridad al volcamiento será:

= ∑

∑

Los momentos anti-volteo, se especificarán en la siguiente tabla:

Localización del grupo de

gaviones

Área (m2)

Peso/ml (ton/m)

Brazo del momento desde el Punto A

Momento (ton.m/m)

Gaviones superiores (2 Unds.)

2.00

4.00

1.20m+

8.80

Gaviones centrales (4 Unds.)

4.00

8.00

1.00m+

16.00

Gavión en la punta (1 Und.)

1.00 2.00

1.00

TOTAL 25.80 Por otra parte, El momento de volcamiento, generado por la fuerza del empuje activo (que ya fue calculada en el numeral b)) actúa a 1/3 de la altura total del muro. Este momento es:

= *

= 3.00

*

= 3

Por lo tanto,

= ∑

∑ =

= 8.60 > 3 Ok. El muro no se vuelca.

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5. Calcule la capacidad portante para la alcantarilla rectangular o “box culvert” que se muestra en la siguiente figura, adicionalmente calcule el coeficiente presión de tierras más conveniente para el diseño estructural del box culvert y determine el coeficiente de reacción vertical Kv de acuerdo de la expresión adjunta, para valorar el asentamiento (ρ) se recomienda usar la metodología de Schmertmann. El valor del módulo de deformaciones E del material de fundación del box culvert es de 1500 Ton/m2, consideren que el espesor de este estrato es de 12.0 m y que el siguiente material es incompresible. Para valorar la longitud del box culvert consideren que la vía a la cual sirve es una carretera principal en Colombia.

a) Para el cálculo de la capacidad de carga, como la fundación es un estrato aluvial,

corresponde a un suelo friccionante, que según lo planteado por Terzaghi y Meyerhoff,

la capacidad de carga para este caso está expresada así:

Para cimientos rectangulares o de longitud infinita:

=

Donde:

: Esfuerzo efectivo a nivel de la cimentación.

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Asumiré excavación total, y nivel freático a 0.50 m por debajo de la cota superior

del Box:

(

)

(

)

Con 48.93.

Peso unitario del suelo que está por debajo del cimiento =

B: Ancho de la cimentación = 1.50m.

( )

Con 78.03.

Por tanto,

=

=

= 239.37

b) Para el desarrollo de la metodología de Schmertmann, desarrollada empíricamente

para suelos granulares, me apoye en lo consignado en el libro “Cimentaciones

Superficiales” del Dr. Germán Cújar Chamorro, lo anoto porque introduce algunas

variables no tratadas por Braja Das.

…

Al considerarse, que el box culvert es para una vía principal en Colombia, entonces

se asumiré L=15m. Por lo tanto:

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Según Schmertmann para cimentaciones de este tipo (

) el mayor valor de

la deformación se presenta a la profundidad: Z = B.

Y el coeficiente de influencia máximo (

) está dado por:

= 0.5+0.2*√

Donde:

: Incremento neto de esfuerzo a nivel de la cimentación. = –

: Presión efectiva antes de la carga a la profundidad de

Y para el caso (

) su profundidad de influencia es hasta Z=4B. Y para Z=0,

Entonces, Asumiré que la carga total mayorada que transmitirá el Box será de 90 ton., que corresponde a la carga de los ejes traseros de dos (2) tractomulas más el peso muerto del Box con agua. Y además, para la evaluación de la presión efectiva

, consideraré, como ya se dijo, excavación total, y nivel freático a 0.50 m por debajo de la cota superior del Box :

= – =

– (0.50 m *2.00

1.50 m *1.00

) = 1.50

Calculando la presión efectiva antes de la carga a la profundidad B, en las mismas condiciones antes citadas, se tiene:

= 0.50 m *2.00

+ (2.00m +1.50m) * (2.00

- 1.00

) = 4.50

Por tanto, el coeficiente de influencia máximo que se presenta a la profundidad B,

será:

= 0.5+0.2*√

= 0.5+0.2*√

= 0.62

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Ahora bien, en el problema tratado, no nos encontramos en un perfil de fundación que tenga varios estratos, ni tampoco tenemos que estimar el módulo equivalente de Young porque ya lo conocemos. Por lo cual procedemos a calcular el asentamiento probable.

*∑ (

)

*

Donde:

(

)

(

) = 0.688

= – =

– (0.50 m *2.00

1.50 m *1.00

) = 1.50

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: Factor de influencia en el centro de cada capa.

: Módulo equivalente de Young calculado a la mitad de cada capa mediante

correlaciones empíricas de resultados de pruebas SPT, y CPT. E = .

Siendo para (

) : Constate que varía entre 2 y 8, dependiendo

del tipo de suelo, y N: el número de golpes del ensayo SPT. Sin embargo para este

caso conocido. E=1500

: Espesor de cada capa que se esté utilizando. Para este caso solo hay una

capa de espesor 12.00m. Entonces,

*∑ (

)

* = 0.688*1.50

*(

)*12.00m = 0.0051 m

5.1 mm.

e) Cálculo del coeficiente de presión vertical .

Se utilizará la expresión enunciada: =

Donde:

: Capacidad de carga calculada en el numeral a). 239.37

Factor se seguridad. Se recomienda, F.S. = 3. Asentamiento calculado en el numeral d). 5.1 mm. Por lo tanto,

=

=

= 15.64

= 15645

f) Cálculo del coeficiente de presión de tierras, se pueden analizar 3 situaciones:

1) Coeficiente en estado de reposo . = 1 – seno( ) = 1 – seno(38°) = 0.384

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2) Coeficiente activo .

= (

) = (

) = 0.025 (Rankine)

=

[ ] =

[ ] = 0.238 (Coulomb simplificado)

3) Coeficiente Pasivo .

= (

) = (

) = 4.23 (Rankine)

=

[ ] =

[ ] = 0.788 (Coulomb simplificado)

Al respecto comento, que no nos encontramos frente al caso de presiones pasivas, por lo tanto estos valores no se tendrán en cuenta. Ahora bien, para el diseño estructural por motivos conservadores, debe recomendarse el coeficiente en reposo =0.384 para cálculos estructurales del Box.

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6. Se va a construir un terraplén en un tramo de carretera en terreno bajo inundable; se requiere un volumen de 65.000 m3 de material compactado a

un peso unitario seco de d = 1.94 ton/m3. El material en la fuente (cantera)

tiene las siguientes propiedades:

wn = 9.6 %

Gs = 2.68

D10 = 0.003

LL = 18%

LP = 6%

d = 1.80 ton/m3

Se pregunta: a) ¿Qué volumen de material debe ser excavado en la fuente para

construir el terraplén? b) Teniendo en cuenta que este material se debe transportar en volquetas

¿Cuál es el peso total seco y húmedo de dicho material?

a) De la definición del tenemos la siguiente expresión:

=

(1)

Además conocemos que:

=

=

entonces: = (2)

Y como además se conoce que: (3) Por tanto, reemplazando (2) y (3) en (1) tendremos:

=

=

=

De donde:

e = 2,68 *

⁄

⁄

= 0,489

Sabemos además que:

=

= 0,3284 =32,84%

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Como sabemos que la humedad: w = 9,6%, y que el peso de los sólidos es 1,80 ton/m3; entonces, la composición en porcentaje de los volúmenes de sólidos, agua y aire, en relación con el volumen total del suelo será:

= 100% - 32,84%= 67,16%

= w * = 9,6% *1,80 = 17,28%

= n - % = 32,84% -17,28% = 15,56%

Ahora bien, el material pasará de d = 1,80 ton/m3, a d = 1,94 ton/m3,

incrementándose en:

ton/m3

Que respecto de su condición inicial representa:

= 0,0778 = 7,78% porcentaje

que es menor al disponible en vacíos de aire (15,56% del volumen total) por lo tanto el material si se puede compactar a los niveles propuestos. Entonces, el volumen de material en banco que se debe excavar para efectuar 65.000 m3 de terraplén incrementando la densidad seca en el terraplén compactado respecto del material en banco en un 7.78%, será: V = 65.000 * 1,0778 = 70.055,56 m3.

b) El peso total seco del material del terraplén es: = * V

= 1,94

* 65.000 = 126.100 ton. (respecto del material en el terraplén).

= 1,80

* 70.055.56 = 126.100 ton. (respecto del material en banco).

Por lo tanto, el peso total húmedo del material a transportar será: = + = * V Ahora bien: = *(1+w), por tanto: = *(1+w) * V

= 1,80

* (1+0,096) * 70.055,56 = 138.205,60 ton.