Comentarios Relativos a la Estabilidad - Suelos.

Cuando un estrato de suelo débil se localiza cerca de la superficie del terreno, es decir a una profundidad aproximada de 1.5 veces el ancho del muro de retención, la capacidad de carga del estrato débil debe ser investigada cuidadosamente. La posibilidad de un asentamiento excesivo debe también ser considerada. En algunos casos, el uso de un material ligero de relleno detrás del muro de retención resuelve el problema.

En muchos casos se usan pilotes para transmitir la carga de la cimentación a un estrato más firme. Sin embargo, a menudo el empuje de la cuña deslizante de suelo, en el caso de una falla por cortante profunda, flexiona los pilotes haciéndolos fallar. Debe darse una cuidadosa atención a esta posibilidad cuando se considere la opción de una cimentación a base de pilotes para muros de retención. (Cimentaciones con pilotes se requieren en estribos de puentes para evitar el problema de la socavación.)

El coeficiente depresión activa de la tierra se usa para determinar la fuerza lateral del relleno. El estado activo del relleno se establece sólo si el muro cede suficientemente, lo que no sucede en todos los casos. El grado de cedencia del muro dependerá de su altura y de su módulo de sección. Además, la fuerza lateral del relleno dependerá de varios factores, identificados por Casagrande (1973):

a. Efecto de la temperatura
b. Fluctuación del nivel freático
c. Reajuste de las partículas del suelo debido al flujo plástico y lluvia prolongada
d. Cambios en las mareas
e. Fuerte acción de las olas
f. Vibración por tránsito
g. Sismos

Un acomodo insuficiente del muro combinado con otros factores imprevistos genera una fuerza lateral mayor sobre la estructura de retención comparada con la obtenida por la teoría de la presión activa de la tierra. Casagrande (1973) investigó la distribución de la presión lateral de la tierra detrás de un estribo de puente (en Alemania) con relleno de escoria, como muestra la figura 7.17. Las pruebas de laboratorio del relleno de escoria dieron ángulos de fricción de entre 37° y 45º, dependiendo del grado de compactación. Para fines de comparación, la variación de la presión activa de Rankine con Ø=37º y  Ø=45º se muestra también en la figura 7.17. La comparación de los diagramas de presión real y teórica indica: 

 FIGURA 7.18

FIGURA 7.20

Condiciones del filtro

1. D15(F) debe ser menor que 5D85(F), es decir, 5 X 0.25 1.25 mm.
2. D15(F)  debe ser mayor que 4D15(B), es decir, 4 X 0.04 = 0.16 mm.
3. D15(F)  debe ser menor que 25D50(B), es decir, 25 X 0.13 = 3.25 mm.
4. D15(F) debe ser menor que 20D15(B), es decir, 20 X 0.04 = 0.8 mm.
 
Los puntos límite están graficados en la figura 7.20. A través de éstos se dibujan dos curvas que son similares en naturaleza a la curva granulométrica del material del relleno. Esas curvas definen el rango para el material del filtro por usarse.

Prueba de Carga en Campo - Cimentaciones.

La capacidad de carga-soporte última de una cimentación, así como la capacidad de carga admisible basada en consideraciones de asentamiento tolerable, se determinan efectivamente con la prueba de carga en campo. A ésta se le llama prueba de carga de placa (ASTM, 1982; designación de la prueba: D-1194-72). Las placas usadas para pruebas de campo son usualmente de acero y de 25 mm (1 pulgada) de espesor y de 150 mm a 762 mm (6 pulg a 30 pulg) de diámetro. Ocasionalmente se usan también placas cuadradas de 305 mm X 305 mm (12 pulg X 12 pulg).

Para realizar una prueba de placa de carga, se excava un agujero con un diámetro mínimo 4B (B = diámetro de la placa de prueba) a una profundidad de Df (Df = profundidad de desplante de la cimentación propuesta). La placa se coloca en el centro del agujero. La carga se aplica a la placa por pasos, aproximadamente de un cuarto a un quinto de la carga última estimada, por medio de un gato. Un diagrama esquemático del arreglo de la prueba se muestra en la figura 4.3 la. Durante cada etapa de aplicación de la carga, el asentamiento de la placa se mide con extensómetros. Por lo menos una hora debe transcurrir entre cada etapa de aplicación de la carga. La prueba debe conducirse hasta la falla, o por lo menos hasta que la placa se haya asentado 25 mm (1 pulg). La figura 4.32 muestra la naturaleza de la curva carga-asentamiento obtenida de tales pruebas, de la cual se determina la carga última por área unitaria.

Para pruebas en arcilla,

La ecuación 4.61 implica que la capacidad de carga última en arcilla es virtualmente independiente del tamaño de la placa.

Para pruebas en suelos arenosos,

FIGURA 4.31 Prueba de la placa de carga: (a) arreglo de la prueba; (b) naturaleza de la curva carga-asentamiento

donde

BF = ancho de la cimentación
BP = ancho de la placa de prueba

La capacidad de carga admisible de una cimentación, basada en consideraciones de asentamiento y para una intensidad dada de carga, q0, es

FIGURA 4.32  Comparación de los resultados de pruebas de campo con la Ec.  4.64  

La relación anterior se basa en el trabajo de Terzaghi y Peck (1967). La figura 4.32 muestra una comparación de varios resultados de pruebas de campo a gran escala con la ecuación (4.64). En base a Ja comparación, puede decirse que la fórmula da aproximaciones bastante buenas.

Housel (1929) propuso un procedimiento diferente para determinar la capacidad de carga-soporte de cimentaciones superficiales en base a consideraciones de asentamientos:

Se requiere encontrar las dimensiones de una cimentación que soporte una carga Q0, con un asentamiento admisible Se(adm).
2. Realizar dos pruebas de placa de carga con placas de diámetros B1 y B2
3. De las curvas carga-asentamiento obtenidas en el paso 2, determine las cargas totales sobre las placas (Q1 y Q2) que corresponden al asentamiento Se(adm). Para la placa no. 1, la carga total se expresa como

donde A1, A2 = áreas de las placas no. 1 y no. 2, respectivamente

P1, P2 = perímetros de las placas no. 1 y no. 2, respectivamente
m, n = dos constantes que corresponden a la presión de carga y al cortante perimetral, respectivamente

Los valores de m y n se determinan resolviendo las ecuaciones (4.65) y (4.66).

4. Para la cimentación por diseñarse, 

donde A = área de la cimentación
P = perímetro de la cimentación
Corno Q0, m y n son conocidas, la ecuación (4.67) se resuelve para determinar el ancho de la cimentación.

Análisis de los Resultados de Prueba de Campo - Carga Ultima en Arcilla Saturada.

Las cargas últimas, QU, obtenidas de cada prueba también se muestran en la figura 3.8. La carga última se define como el punto en que el desplazamiento de la carga se vuelve prácticamente lineal. La falla en el suelo debajo de la cimentación es del tipo de falla de corte local. Por consiguiente, de la ecuación (3.10)

Si suponemos que el peso específico del suelo es aproximadamente de 18.5 kN/m3, q  = Dfy = (1.5)(18.5)= 27.75 k-N/m2. Podemos entonces suponer valores promedio de cu: para profundidades de 1.5 m a 2.0 m, cu = (35 + 24)/2 = 29.5 kN/m2 para profundidades mayores que 2.0 m, cu = 24 kN/m2. Si suponemos que la cohesión no drenada de la arcilla a una profundidad >= B debajo de la cimentación controla la capacidad de carga última, 

TABLA 3.3 Comparacíón de capacidades de carga últimas teóricas y de campo

El valor Cu(promedio) obtenido para cada cimentación tiene que ser corregido tomando en cuenta la ecuación (2.19). La tabla 3.3 presenta detalles de otros cálculos y una comparación de las capacidades de carga últimas, teóricas y de campo.

Note que las capacidades de carga Últimas obtenidas en campo son aproximadamente 10% mayores que las obtenidas teóricamente; la razón para tal diferencia es que la relación Df/B para las pruebas de campo varía entre 1.5 y 2.5. El incremento de la capacidad de carga debida a la profundidad de empotramiento no se tomó en cuenta en la ecuación (3.16).

Perforaciones Exploratorias en el Campo - Suelos.

La perforación con barrena es el método más simple de efectuar sondeos de exploración. 

La figura 2.10 muestra dos tipos de barrenas manuales: la barrena de agujeros para postes y la barrena helicoidal. Las manuales no deben usarse para excavaciones de más de 3 a 5 ni (10-16 pies). Sin embargo, se usan para exploraciones de suelos en al- gimas carreteras y en estructuras pequeñas. Existen barrenas helicoidales eléctricas manuales (76.2 mm a 304.8 mm de diámetro) adecuadas para perforaciones más profundas. Las muestras de suelo obtenidas en tales perforaciones están sumamente alteradas. En algunos suelos no cohesivos o con baja cohesión, las paredes de los barrenos no son estables por sí mismas. En tales circunstancias, un tubo metálico se usa como ademe para impedir que el suelo se derrumbe.

Cuando se dispone de energía eléctrica, las barrenas de perforación continua son probablemente las más idóneas. La energía para efectuar el trabajo se suministra desde torres de perforación montadas en camión o en tractor. De esta manera se efectúan fácilmente barrenos de hasta 60-70 m (200-230 pies) de profundidad. 

Las barrenas de perforación continua existen en secciones de aproximadamente 1-2 m (3-6 pies) y son huecas o sólidas. Algunas de las barrenas sólidas comúnmente usadas tienen diámetros exteriores de 66.68 mm (2 pulg), 82.55 mm (3 pulg), 101.6 mm (4 pulg) y 114.3 mm (4 pulg). Las barrenas huecas comercialmente comunes tienen dimensiones de 63.5 mm de DI (diámetro interior) y 158.75 mm de DE (diámetro exterior) (2.5 X 6.25 pulg), 69.85mm de DI y l77.8  DE (2.75 x 7pulg), 76.2 mm de DI y 2O3.2 de DE(3 X 8 pulg) y 82.55 mm de DI y 228.6 de DE (3.25 x 9 pulg). 

FIGURA 210 Herramientas de mano: (a) barrena para hoyos de postes o posteadora; (b) barrena helicoidal 

FIGURA 211 Cabeza de corte con punta de carburo sobre raspadora de barrena conectada por pernos (cortesía de William B. Ellis, El Paso Engineering and Testing, Inc., EJ. Paso, Texas)

La punta de la barrena se conecta a una cabeza cortadora (figura 2.11). Durante la perforación (figura 2.12), sección tras sección de barrena puede agregarse para aumentar la profundidad de la excavación. La hélice de la barrena lleva el suelo suelto desde el fondo del agujero a la superficie. El perforista puede detectar cambios en el tipo de suelo si nota variaciones en la velocidad y sonido del taladro. Cuando se usan barrenas sólidas, éstas deben retirarse a intervalos regulares para obtener muestras del suelo y también para efectuar otras operaciones como la prueba de penetración estándar. Las barrenas huecas tienen una clara ventaja sobre las sólidas ya que ellas no tienen que ser retiradas frecuentemente para efectuar muestreos u otras pruebas. 

Como muestra esquemáticamente la figura 2.13, el exterior de la barrena hueca actúa como ademe. Un obturador o tapón removible está unido al fondo de la barrena por medio de un vástago central. Durante la perforación, el obturador puede ser extraído junto con la barrena y pueden entonces llevarse a cabo el muestreo y las pruebas de penetración estándar. Cuando se usan barrenas huecas en suelos arenosos debajo del nivel freático, la arena puede ser empujada varios pies en el tubo de la barrena por el exceso de la presión hidrostática inmediatamente después de la remoción del obturador. En tales condiciones no debe usarse el obturadot Más bien, el agua dentro del tubo hueco de be mantenerse a un nivel superior al del nivel freático. 

FIGURA 2.12 Perforación con barrenas de raspado continuo (cortesía de Danny R. Anderson, Danny R. Anderson Consultants, El Paso, Texas)

El sondeo de lavado es otro método de efectuar perforaciones. En éste, un ademe de aproximadamente 2-3 m (6-10 pies) de largo se hinca en el terreno. El suelo dentro del ademe se retira entonces por medio de un trépano cortante unido a un vástago perforador. El agua es inyectada a través del vástago perforador y sale a muy alta velocidad por los agujeros en el fondo del trépano (figura 2.14). El agua y las partículas desmenuzadas del suelo ascienden por el agujero taladrado y fluyen en la parte superior del ademado a través de una conexión en T. El agua de lavado se recoge en un recipiente. El ademe puede extenderse con partes adicionales según avanza el barrenado; sin embargo, no se requiere si el barreno permanece abierto y no se derrumba.

FIGURA 2.13  Diagrama esquemático de una barrena de tubo hueco con obturador rem.ovible.

La perforación rotatoria es un procedimiento en el cual trépanos rotatorios de perforación unidos al fondo de las varillas perforadoras cortan y muelen el suelo y profundizan el barreno. Existen varios tipos de trépanos perforadores. La perforación rotatoria se usa en arena, arcilla y roca (a menos que ésta esté muy fisurada). El agua o lodo de perforación se inyecta a presión hacia abajo por las barras de perforación hasta los trépanos y el flujo de retorno lleva los recortes a la superficie. Con este procedimiento se logran fácilmente barrenos con diámetros de entre 50.8 a 2032 mm (2-8 pulg). El lodo de perforación es una mezcla de agua y bentonita. Generalmente se usa cuando resulta probable que el suelo encontrado se desmorone. Cuando se requieren muestras de suelo, la barra perforadora se eleva y el trépano se reemplaza por un tubo muestreador.

El sondeo por percusión es un método alternativo de excavar un barreno, particularmente a través de roca y suelo duro. Un trépano pesado de perforación se sube y baja para cortar el suelo duro. Las partículas de suelo recortado son llevadas a la superficie por circulación de agua. El sondeo por percusión puede requerir de un ademe. 

FIGURA 2.14 Sondeo con Inyección o Lavado.

Terreno - Cálculo de Asentamientos por Consolidación.

El asentamiento unidimensional por consolidación (causado por una carga adicional) de una capa de arcilla (figura L22a) con espesor Hc puede calcularse corno 

FIGURA 1.22 Cálculo de asentamiento unidimensional: (b) es para la ecuación (1.64); (c) es para las ecuaciones (1.66) y (1.68)

Para arcilla normalmente consolidada, la curva de campo e-log p tendrá la forma mostrada en la figura 1.22b. Si p0 = presión de sobrecarga efectiva promedio inicial sobre el estrato de arcilla y p = incremento promedio de presión sobre el estrato de arcilla, causado por la carga agregada, el cambio de la relación de vacíos provocada por el incremento de carga es 

Tres Parámetros Necesarios para Calcular el Asentamiento.

1. La carga de preconsolidacion p es la máxima sobrecarga efectiva a la que el suelo estuvo sometido en el pasado. Se determina usando un simple procedimiento gráfico propuesto por Casagrande (1936), con referencia a la figura 1.17b e implica cinco pasos:

a. Determine el punto O sobre la curva e-log p que tenga la curvatura más aguda (es decir el menor radio de curvatura).
b. Dibuje una línea horizontal OA.
c. Dibuje una línea OB tangente a la curva e-logp en O.
d. Dibuje una línea OC bisectriz del ángulo A OB
e. Trace la porción de línea recta de la curva e-log p hacia atrás hasta cruzar  OC. Éste es el punto D. La presión que corresponde al punto p es el esfuerzo de preconsolidación, PC.

Los depósitos naturales de suelo pueden estar normalmente consolidados o sobreconsolidados (o preconsolidados). Si la presión actual efectiva de sobrecarga p = p0 es igual a la presión de preconsolidación pc, el suelo está normalmente consolidado. Sin embargo, si p0 < pc, se considera sobreconsolidado.

La presión de preconsolidación (pc) se correlaciona con parámetros indexados por varios investigadores. Stas y Kulhawy (1984) sugirieron que 

El Departamento de Marina de Estados Unidos (1982) también proporcionó relaciones generalizadas entre PC, LI y la sensitividad de suelos arcillosos (Ss). Esta relación fue también recomendada por Kulhawy y Mayne (1990). La definición de sensitividad se da en la sección 1.19. La figura 1.18 muestra esta relación.

2. El índice de compresibilidad, Cc, es la pendiente de la porción recta de la curva (última parte de la curva de carga), o 

FIGURA 1.18 Variación de p con LI (según el Departamento de Marina de Estados Unidos, 1982)

donde e1 y e2 son las relaciones de vados al final de la consolidación bajo los esfuerzos P1 Y P2, respectivamente.

El índice de compresibilidad, determinado con la curva e-log p en el laboratorio, será algo diferente de la encontrada en campo. La razón principal es que el suelo se remoldea en alguna medida durante la exploración de campo. La naturaleza de la variación de la curva e-log mp en el campo para arcilla normalmente consolidada se muestra en la figura 1.19. A ésta se le conoce generalmente como curva virgen de compresibilidad. Ésta cruza aproximadamente la curva de laboratorio en una relación de vacíos de O.42e0 Terzaghi y Peck, 1967). Note que e0 es la relación de vacíos de la arcilla en el campo. Conocidos los valores de e0 y p puede construirse fácilmente la curva virgen y calcular el índice de compresibilidad de la curva usando la ecuación (1.56).

El valor de Cc varía ampliamente dependiendo del suelo. Skempton (1944) dio la siguiente correlación empírica para el índice de compresión: 

FIGURA 1.19 Construcción de una curva virgen de compresibilidad para arcilla normalmente consolidada

Además de Skernpton, otros investigadores propusieron correlaciones para el índice de compresibilidad.

Algunas están resumidas en la tabla 1.14.

3. El índice de expansibilidad, Cs, es la pendiente de la porción de descarga de la curva elog p. Según la figura 1.17b, puede definirse como

En la mayoría de los casos, el valor del índice de expansión (Cs) es de a del índice de compresibilidad. A continuación se proporcionan algunos valores representativos de Cs/Cc para depósitos de suelos naturales. 

El índice de expansibilidad se conoce también corno índice de recompresibilidad. 

TABLA 1.14  Correlaciones para el índice de compresión.

La determinación del índice de expansibilidad es importante en la estimación del asentamiento por consolidación de las arcillas sobreconsoli&zdas. En el campo, dependiendo del incremento de presión, una arcilla sobreconsolidada seguirá una trayectoria abc en la curva e-log p, como muestra la figura 1.20. Note que el punto a, con coordenadas p0 y e0, corresponde a las condiciones de campo antes de cualquier incremento de presión. El punto b corresponde al esfuerzo de preconsolidación (Pc) de la arcilla. La línea ab es aproximadamente paralela a la curva de descarga cd en laboratorio (Schmertmann, 1953). Además, si se conocen e0, p0, pc, Cc y Cs, se podrá construir fácilmente la curva de consolidación de campo.

FIGURA 1.20  Construcción de una curva de consolidación en campo de arcilla sobreconsolidada.

Nagaraj y Murthy (1985) expresaron el índice de expansión como 

Cabe destacar que cualquiera de las correlaciones empíricas para Cc y Cs dadas en esta sección son sólo aproximadas. Esto puede ser válido en un suelo dado para el cual la relación fue desarrollada, pero tal vez no serán válidas para otros suelos. Por ejemplo, la figura 1.21 muestra las gráficas de Cc y Cs respecto a límites líquidos para suelos de Richmond, Virginia (Martin y otros, 1995)4 Para esos suelos,

La razón Cs/Cc es aproximadamente mientras que el rango típico es cercano de a 

 

FIGURA 1.21  Variación de Cc y Cs con el limite liquido para suelos de Richmond, Virginia.

Concepto de Esfuerzo Efectivo - Terreno.

Considere un esfuerzo vertical en un punto A situado a una profundidad h1 + h2 debajo de la superficie del terreno, corno se muestra en la figura 1.13a. El esfuerzo vertical total  σ en  A es 

donde y Y ysat son los pesos específicos del suelo arriba y abajo del nivel freático, respectivamente.

El esfuerzo total es soportado parcialmente por el agua de poro en los espacios de vacíos y otra parte por los sólidos del suelo en sus puntos de contacto. Por ejemplo, considere un plano ondulado AB trazado por el punto A (véase la figura 1.13a) que pasa por lOS puntos de contacto de los granos del suelo. La vista en planta de esta sección se muestra en la figura 1.13b. Los pequeños puntos en la figura 1.13b representan las 

 FIGURA 1.13  Cálculo del esfuerzo efectivo.