mecanica de suelos uso

APLICACIONES DE LA MECANICA

DE LOS SUELOS

NO SATURADOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA

Area de Geotecnia.

Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.

MECANICA DE

SUELOS

SUELOS SATURADOS

ARCILLAS Y

LIMOS

ARENAS Y

GRAVAS

Presión de Poros

uw > 0

LIMOS Y ARCILLAS

COMPACTADOS

ARCILLAS DESECADAS

SUELOS RESIDUALES

SUELOS NO SATURADOS

Presión de Poros

uw < 0

MECANICA DE LOS SUELOS NO SATURADOS

Presión de poros negativa

Presión Neta Normal

(-ua)

Succión Matricial

(ua- uw)

N.F.

Presiones Efectivas

(-uw)

MECANICA DE LOS SUELOS

SATURADOS

SUELO NO SATURADO

SUELO SECO

Discontinuidad en Vacíos llenos en su

la fase de agua mayoría con aire

FASE DE 2 FLUIDOS

Fase de agua Fase de aire

continua continuo

ZONA CAPILAR

Vacíos llenos en su Fase gaseosa

mayoría con agua discontinua

SUELOS SATURADOS

Vacíos llenos de Aire en estado

agua disuelto

EQUILIBRIO DE HUMEDAD

Alturas Capilares

Suelo Dio (mm) e hcr (cm) hcr (cm)

Grava gruesa 0,82 0,27 5,4 6,0

Grava arenosa 0,20 0,45 28,4 20,0

Grava fina 0,30 0,29 19,5 20,0

Grava limosa 0,06 0,45 106,0 68,0

Arena gruesa 0,11 0,27 82,0 60,0

Arena media 0,02 0,48-0,66 239,6 120,0

Arena fina 0,03 0,36 165,5 112,0

Lino 0,006 0,95-0,93 359,2 180,0

Lane - Washburn, 1.946

AMBITO DE APLICACIÓN DEL PROBLEMA


ASPECTOS DE INTERES


•CARACTERIZACION DE LA RESISTENCIA

•EVALUACION DE LA ESTABILIDAD GLOBAL

•ANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL

•CONDICIONES DE FILTRACIÓN

•COMPORTAMIENTO ACOPLADO

“El ingeniero que trabaja en suelos debe proyectar su estructura no sólo para

las propiedades del suelo existentes al comienzo de la obra, sino también para

toda la vida del proyecto de la estructura. Necesita conocer las propiedades del

terreno al comienzo de la obra y la forma en que éstas variarán a lo largo del

tiempo. Tanto el tamaño y la forma de un depósito determinado como las

propiedades mecánicas del suelo que los componen pueden variar de forma

significativa. Muchas de estas variaciones se producen independientemente de

la actividad humana, mientras que otras se deben a la propia obra”.

W. Lambe - R. Whitman (1.984)

AMBITO DE APLICACIÓN DEL PROBLEMA

CARACTERIZACION DE LA RESISTENCIA

• RELACION ENTRE SUCCION Y HUMEDAD

• DEFINICIÓN DE PARÁMETROS RESISTENTES

SUCCION Y HUMEDAD

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

SUCCION [kPa]

GR

AD

O D

E S

AT

UR

AC

ION

RE

LA

TIV

OMODELO

U.N.C.-1996

HUANG, 1993

TORONTO, 1984

MOORE

SABBAGH, 1995

LEONG, 1995

FLEUREAU, 1995

FLEUREAU, 1995

HAN, 1995

ARCILLA

ARENA

LIMO

ARCILLOSO

ARENA+LIMO+ARCILLA

ARENA+LIMO

SUCCION Y

HUMEDAD

MODELO ECUACION CONDICION

1d b

Brooks y Corey (1964)n

d a

b

Britsaert (1966) nd

a

1

1

1d b Mc Kee y Bumb (1984)

n

a

d e

b

Mc Kee y Bumb (1987)

n

ad

e

1

1

Fredlund y Xing (1994)

m

nd

ae

ln

1

Gardner (1956) nda

1

1

Van Genuchten (1980)

m

nda

1

1

Van Genuchten (1980) - Burdine (1953)

n

nda

/21

1

1

Van Genuchten (1980) - Mualem (1976)

n

nda

/11

1

1

RESISTENCIA AL CORTE

)tg()()'tg()(' bwafaf uuuc

ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO


EQUILIBRIO DE MOMENTO

EQUILIBRIO DE FUERZAS

NfWaA

RuuNRc

FSxLL

b

a

b

w

m

)'tg()'tg(

)tg(1

)'tg(

)tg('

)sen(

)'tg()cos()'tg(

)tg(1

)'tg(

)tg()cos('

NA

uuNc

FSL

b

a

b

w

f


INFLUENCIA DE PARAMETROS Y FS

)tg('tg' b

waanm uuucFS

S

FS

FSu

FSu

FS

cXXW

N

b

w

b

aLR

'tgsencos

tgsen

tg'tg)sen(sen'

dydxvdydxdzz

vv

t

Vw

ww

w

PERMEABILIDAD EN SUELOS NO SATURADOS

Conservación de Masas

z

k

cz

u

z

k

k

c

z

uc

t

u w

g

ww

w

w

vww

vw

12

2

gm

kc

w

ww

v2

2

1

mcg

Ecuación Diferencial Básica

Parámetros deformacionales

Contenido volumétrico de agua

condición de contorno b(x,t)

Potencial hidráulico

Condición de contorno b(x,t)

Contenido volumétrico de agua

b(x,t)Cambios contenido volumétrico

de agua (x,t) / t

Flujo de agua

J(x,t)Gradiente Potencial hidráulico

(x,t)

Succión sin carga

h(x,t,,e,...)

Presión de poros

u(x,t,,e,,...)

Potencial hidráulico

(x,t, ,e,,...)

Tensión conductividad

Hidráulica ku (x,t,h,e,...)

Relación de vacíos

e(x,t)

Cambios Relación de vacíos

e(x,t) / t

Tensión de deformación

(x,t)

Condición de borde

Desplazamientos db (x,t)

Estructura

Módulo volumétrico

ke(x,t, , máx,, , máx,h...)

Módulo de corte

G (x,t, , máx,, , máx,h...)

Tensión de corte

(x,t, , máx,, , máx,h...)

Tensión normal t

Tensor de tensiones

(x,t)

Tensor efectivo de tensión

(x,t,u,e, )

Condición de contorno

en tensiones b

MODELO DE FLUJO DE AGUA NO ESTACIONARIO

Proceso mecánico o hidráulico independiente

Acoplamiento debido a cambio en porosidad o potencial hidráulico

Acoplamiento debido a procesos de corte o falla

MODELO DE TENSIONES Y DEFORMACIONES CUASIESTATICO

EJEMPLO 1.

ESTABILIDAD AL

DESLIZAMIENTO

EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

ANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL

EJEMPLO 2.

EVALUACION TENSO - DEFORMACIONAL EN

PRESAS DE MATERIALES SUELTOS

PARÁMETROS NECESARIOS

1. IDENTIFICACION DE LOS MATERIALES

2. RELACIONES TENSIÓN - SUCCIÓN - DEFORMACIONES

3. RELACIONES SUCCIÓN - HUMEDAD - PERMEABILIDAD

4. ESTADO DE CARGA EXTERNOS

5. TIEMPOS DE ANÁLISIS

MODELO TENSO - DEFORMACIONAL

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE PERMEABILIDAD

COMPORTAMIENTO DEL

NUCLEO CENTRAL

ESTADOS TENSIONALES Y ASENTAMIENTOS

RESULTADOS DE LA MODELACIÓN

RESULTADOS DESPUES DE LA CONSTRUCCIÓN

COMPORTAMIENTO DESPUES DEL

PRIMER LLENADO

ANÁLISIS PARAMÉTRICO DEL RESULTADO

EJEMPLO 3. MODELO ELEMENTO FINITO - FILTRACIONES

DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CALZADAS.

Factores condicionantes:

Tránsito.

Clima y Medio Ambiente.

Características de los Materiales.

Suelos Metaestables (Colapsables y Expansivos).

COMPORTAMIENTO OBSERVADOS.•Asentamientos localizados en el centro de la calzada

(pérdida de perfil).

Fisuración longitudinal en los bordes.

OBJETOElaboración de modelo simplificado que permita

aplicaciones en el proceso de diseño.

EJEMPLO 4. MODELOS NO SATURADOS EN

TERRAPLENES VIALES

ORGANIZACIÓN DEL ESTUDIO.

Revisión del comportamiento observado.Pérdida del perfil transversal. Asentamiento de 20 a 30 mm en el

eje.

Fisuración longitudinal en bordes. Localización: 30 a 40 cm del

borde de calzada.

Hipótesis generales de la modelación.Suelos componentes de la fundación. Limos arenosos y limos

arcillosos.

Condiciones de humedad. Perfil de equilibrio energético entre

humedad y succión.

Efecto de la construcción de la calzada. Membrana impermeable

o semipermeable.

Estudio de modelos de simulación aplicables.Superficies de estado

Equilibrio de succiones bajo membranas impermeables.

Curvas características suelo – agua.

EQUILIBRIO DE SUCCIONES Y

HUMEDADES.

Mitchell, 1980.

Ecuación básica de equilibrio (condiciones estacionarias). 02

2

2

2

y

u

x

u

Solución con desarrollo en series.

1

22 2

)12(cos

4

)12(cosh

2

)12(cosh

)12(

1),(8),(

n a

yn

a

Lna

xn

n

yLuyxu

SUPERFICIES DE ESTADO.(Alonso, et al, 1990; Josa et al, 1992; Blundo, Redolfi y Zeballos, 1998)

Integración de deformaciones. yyuyxue

hoy

y

)),0(ln()),(ln(1

1

0

CURVAS CARACTERISTICAS SUELO – AGUA.(Fredlund, et al, 1990)

Antecedentes de calibración. Estudios del Area Geotecnia. UNC.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

SUCCION [kPa]

GR

AD

O D

E S

AT

UR

AC

ION

RE

LA

TIV

O

MODELO

U.N.C.-1996

HUANG, 1993

TORONTO, 1984

MOORE

SABBAGH, 1995

LEONG, 1995

FLEUREAU, 1995

FLEUREAU, 1995

HAN, 1995

ARCILLA

ARENA

LIMO

ARCILLOSO

ARENA+LIMO+ARCILLA

ARENA+LIMO

Brook y Corey

b

e

S

uyLu

1),(

MODELO PLANTEADO.

Escenarios planteados.

Escenario Profundidad N.

Freático (mts)

Humedad

volumétrica en

superficie (%)

1 8,00 14,0

2 6,00 15,0

3 4,00 16,0

RESULTADOS DE LA MODELACION

Ajuste de la succión

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0 .0

-0 .4

-0 .8

-1 .2

-1 .6

-2 .0

-2 .4

-2 .8

-3 .2

-3 .6

-4 .0

D IST A N C IA A L EJE D E C A LZA D A (mts )

SU

CC

ION

(k

Pa

)

4 0 -50

30-40

20-30

10-20

0-10

RESULTADOS DE LA MODELACIONAsentamientos en superficie.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-3.50 -2.50 -1.50 -0.50 0.50 1.50 2.50 3.50

DISTANCIA AL EJE DE CALZADA (m ts)A

SE

NT

AM

IEN

TO

S (

mm

)

NF=8,0 m ts

NF=6,0 m ts

NF=4,0 m ts

RESULTADOS DE LA MODELACION

Deformaciones angulares.

0.0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

0 1 2 3 4 5

Distancia al eje de calzada (mts)

Dis

tors

ión

An

gu

lar

(%)

NF =8 ,0 m ts

NF =6 ,0 m ts

NF =4 ,0 m ts

CONCLUSIONES.

Posibilidad de reproducción y análisis de las

deformaciones inducidas en suelos sensibles a la acción del

agua mediante el empleo de modelos de simulación

sencillos.

La definición de la curva característica suelo – agua

(relación entre succión y humedad) constituye el punto de

más compleja determinación. Resulta de interés la

formulación de estudios tendientes a la identificación de

estas relaciones en distintos suelos.

Como solución preliminar puede recurrirse a referencias

bibliográficas o bases de datos para la identificación de

estos parámetros.

Tipo de Predicción Cuando se hace la predicción Resultados al momento de laejecución de la predicción

A Antes del evento No disponibles

B Durante el evento No conocidos

B-1 Durante el evento Conocidos

C Después del evento No conocidos

C-1 Después del evento Conocidos

Requerimiento para una adecuada predicción Tipo A

El modelo teórico debe ser suficientemente detallado y correcto. Debe estarconfirmado in situ.

Se debe disponer de datos del suelo completos y detallados.

Se debe poseer experiencia en circunstancias similares.

Debe existir armonía entre las tensiones y deformaciones en la totalidad del proceso.

El modelo debe considerar las particularidades introducidas por el proceso deinstalación.

La ejecución de la construcción debe ser consistente y bien controlada.A.F.Van Weele (1989).

Prediction versus Performance

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