UNIVERSIDAD AUTONOMA DE COAHUILAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

UNIDAD TORREON

Ana Luisa Vargas CervantesCatedrático: Dr. Octavio Cárdenas

Materia: CimentacionesFecha: 08 de Junio del 2015

1 Mejoramiento del suelo y modificación del terreno.

1.1 IntroducciónEl suelo de un sitio de construcción no será siempre totalmente adecuado para soportar estructuras como edificios, puentes, carreteras y presas. Por ejemplo, en depósitos de suelo granular el suelo in situ talvez este muy suelto e indique un gran asentamiento elástico. En tal caso, tiene que ser densificado para incrementar su peso específico así como su resistencia cortante.

MEJORAMIENTO

DEL SUELO Y MODIFICACION

DEL TERREN

O

Algunas veces, las capas superiores del suelo no son adecuadas y deben retirarse y remplazarse con mejor material sobre el cual pueda construirse una cimentación estructural. El suelo usado como relleno debe estar bien compactado para soportar la carga estructural deseada. Los rellenos compactados también se requieren en área de poca altura para elevar el terreno donde se construirá una cimentación.

Estratos de arcilla blanda saturada a menudo se encuentran a poca profundidad debajo de las cimentaciones. Dependiendo de la carga estructural y de la profundidad de los estratos de arcilla, ocurren grandes asentamientos por consolidación, requiriéndose entonces procedimientos especiales de mejoramiento del suelo para minimizar los asentamientos.

El mejoramiento in situ de suelos por medio de aditivos se conoce como estabilización.

Varios procedimientos para el mejoramiento del suelo se usan para:

1. Reducir el asentamiento de las estructuras.2. Mejorar la resistencia cortante del suelo e incrementar así la capacidad de

carga de las cimentaciones superficiales.3. Incrementar el factor de seguridad contra posibles fallas de los taludes de

riveras y presas de tierra.4. Reducir la contracción y expansión de suelos.

Este capítulo analiza algunos de los principios generales de mejoramiento de suelos como compactación, vibroflotacion, precompresion, drenes de arena, drenes de plástico y estabilización por aditivos, así como el uso de columnas de rocas y pilas de compactación de arena en arcilla débil para la construcción de cimentaciones.

1.2 Compactación. Principios generales

Si se agrega una pequeña cantidad de agua a un suelo y luego este se compacta, el suelo tendrá un cierto peso específico. Si el contenido de agua del mismo suelo es incrementado generalmente y la energía de compactación es la misma, el peso específico seo del suelo se incrementa gradualmente. La razón es que el agua actúa como un lubricante entre las partículas del suelo y, bajo compactación esta ayuda a reacomodar las partículas sólidas a un estado más denso. El incremento en peso específico seco con el incremento del contenido de agua en un suelo alcanzara un valor límite más allá del cual cantidades adicionales de agua conducirán a una reducción del peso específico seco. El contenido de agua para el cual se obtiene el peso específico seco máximo se llama contenido de agua óptimo.

Las pruebas estándar del laboratorio usadas para evaluar los pesos específicos secos máximos y los contenidos óptimos de agua para varios suelos son

a. Prueba Proctor Estándar (ASTM D-698)b. Prueba Proctor Modificada (ASTM D-1557)

El suelo se compacta en un molde en varias capas por medio de un pisón. El contenido de agua, w, del suelo se cambia y se determina el peso específico seco, Yd, de compactación en cada prueba. El peso específico seco máximo de compactación y el correspondiente contenido óptimo de agua se determina graficando Yd versus W (%).Las especificaciones estándar ara los dos tipos de prueba proctor se dan en la tabla (2.1) y (2.2)

Tabla 2.1 Especificaciones para la prueba Proctor Estándar (ASTM 698-91)

Usando los resultados de compactación en laboratorio ( ϒd versus W) se escriben especificaciones para la compactación de un suelo en el campo. En la mayoría de los casos, se requiere que el contratista logre una compactación relativa del 90% o mayor con base en una prueba específica de laboratorio (La prueba de compactación Proctor Estándar o la Modificada). La compactación relativa, CR, se define como

Para suelos granulares en el campo, el grado de compactación obtenido es a menudo medido en términos de la compacidad relativa. Comparando las expresiones para la compacidad relativa y la compactación relativa se ve que

Lee y Singh (1971) analizaron 47 suelos diferentes y con base a un análisis, presentaron la correlación:

CR=ϒ d (campo)ϒ d (max)

CR= A1−Cr (1−A )

Cr (%)=(CR−80)0.2

(2.1)

(2.2)

(2.3)

Tabla 2.2 Especificaciones para la prueba Proctor Modificada (ASTM 1557-91)

1.3 Método de un punto para obtener ϒd (max)

El departamento de Carreteras de Ohio desarrollo una familia de curvas estándar para varios tipo de suelo, como muestra la figura 2.1. Note que se trata de graficas de peso específico húmedo, ϒ, versus contenido de agua, w (%). Esas curvas se usan para obtener ϒd (max) en el campo. Este procedimiento llamado método de un punto, sirve como un medio rápido para el control de la compactación en campo, e implica primero una prueba Proctor estándar (método A) con el suelo en uso y una determinación del peso específico húmedo de compactación así como el correspondiente contenido de agua. Luego una gráfica de los valores ϒ y w identifica el número de curva de compactación (figura 2.1) correspondiente de los resultados de la prueba. Usando este número de curva con la tabla 2.3 se obtiene el peso específico seco máximo y el correspondiente contenido de agua óptimo.

El método de un punto parece ser simple y fácil de usar. Sim embargo, ese no será siempre el caso. Los investigadores determinaron que no todos los suelos dan las curvas de compactación en forma de campana mostradas en la figura 2.1. Lee y Suedkamp (1972) efectuaron 700 pruebas de compactación en 35 muestras de suelo en porciones de suelo que pasaron la malla No. 4 (método A). Sus resultados muestran que, dependiendo de las propiedades del suelo, la gráfica ϒd versus w (%) exhibe una de cuatro formas diferentes, mostradas en la figura 2.2 y se designan tipos I, II, III y IV. El tipo I es una curva de campana estándar. El tipo II es una curva que muestra uno y medio picos. El tipo III es una curva de pico doble. El tipo IV es una curva de forma rara que no muestra un contenido de humedad óptimo claro. Lee y Suedkamp (1972) desarrollaron luego las siguientes directrices para ayudar a predecir la naturaleza de las curvas de compactación de varios suelos:

Figura 2.1 Curvas de compactación Ohio

Tabla 2.3 Peso específico seco máximo y contenido de agua optimoPara las curvas de compactación en la figura 2.1

1.4 Corrección para la compactación de suelos con partículas de sobre tamaño.

Como muestran las tablas 2.1 y 2.2, dependiendo del método usado, ciertas partículas de sobre tamaño (como el material retenido de una malla no. 4 o malla de ¾-pulg) deben ser retiradas del suelo para conducir pruebas de compactación en laboratorio. La prueba D-4718-87 del ASTM proporciona un método para corregir el peso específico seco máximo y el contenido de agua óptimo en presencia de partículas de sobre tamaño, útil al escribir especificaciones para compactaciones en campo. De acuerdo con este método, el peso específico seco máximo ϒd (max)-C, se calcula como

Figura 2.2 Varios tipos de curvas de compactación

ϒ d (max)−C= 100ϒ wPcGm

+ϒ w (100−Pc )ϒ d (max )−F

Donde

ϒ w = peso específico del agua

Pc = porcentaje de partículas de sobre tamaño por peso

Gm = peso específico por volumen de las partículas de sobre tamaño

ϒ d (max )−F = peso específico seco máximo de la fracción de finos usados en la compactación de laboratorio

El contenido de agua optimo corregido, w optimo-C (%) se expresa como

W optimo−C (% )=W optimo−F (100−Pc )+WcPc

Donde

W optimo−F = contenido de agua óptimo de la fracción de finos determinado en el laboratorio

Wc = contenido seco de agua de la superficie saturada de las partículas de sobre tamaño (fracción)

Las ecuaciones anteriores para el peso específico seco máximo corregido y el contenido de agua optimo son válidas cuando las partículas de sobre tamaño constituyen aproximadamente el 30% o menos (en peso) del total de la muestra de suelo.

1.5 Compactación en campo

La compactación ordinaria en campo se hace por medio de compactadores de rodillos. Los más comunes son:

1. Rodillos lisos (o de tambor liso)2. Rodillos neumáticos de llantas de hule3. Rodillos pata de cabra4. Rodillos vibratorios

(2.4)

(2.5)

1.6 Vibroflotación

La vibroflotación es un procedimiento desarrollado en Alemania en los años 30 para la densificación in situ de estratos gruesos de depósitos de suelo granular suelto, y se usa en Estados Unidos aproximadamente diez años después. El proceso implica uso de un vibroflot (o unidad vibratoria), como muestra la figura 2.3, que es de aproximadamente 6 pies (2 m) de longitud. Esta unidad vibratoria tiene en su interior un peso excéntrico que desarrolla una fuerza centrífuga, el cual permite a la unidad vibrar horizontalmente. Se tienen aberturas arriba y abajo en la unidad vibratoria para chorros de agua, y esta unida a un tubo seguidor. La figura 2.3 muestra el equipo de vibroflotacion necesario para compactación en campo.

Todo el proceso de compactación se divide en cuatro etapas (figura 2.4):

1. El chorro en el fondo del vibroflot se activa y el vibroflot es descendido hacia el terreno.

2. El chorro de agua crea una condición movediza en el suelo que permite el hundimiento de la unidad vibratoria.

3. Se vierte material granular en la parte superior del agüero. El agua del chorro inferior se transfiere al chorro superior de la unidad. Esta agua arrastra hacia abajo del agujero el material granular.

4. La unidad vibratoria es gradualmente levantada en tramos de aproximadamente 1 pie (0.3 m) y se mantiene vibrando cerca de 30 segundos en cada tramo, proceso que compacta el suelo al peso específico deseado.

Figura 2.3 Unidad de vibroflotación (según Brown, 1977)

La tabla 2.4 da los detalles de varios tipos de unidad vibroflot usadas en Estados Unidos.

Figura 2.4 Compactación por el proceso de vibroflotación (según Brown, 1977)

Tabla 2.4 Tipo de equipo vibratorio

La compactación por vibroflotación implica varios espaciamientos de las pruebas, dependiendo de la zona de compactación (véase la figura 2.5). Mitchell (1970) y Brown (1997) reportaron varios casos de diseño de cimentaciones en que la vibroflotación fue usada con éxito.

La capacidad de densificación con éxito in situ de un suelo depende de varios factores, de los cuales el más importante es la distribución dl tamaño del grano y también la naturaleza del relleno usado para tapar los agujeros durante el periodo de retiro del vibroflot. El rango de la granulometría del suelo in situ, marcado zona 1 en la figura 2.6, es la más adecuada para compactación por vibroflotación. Los suelos que contienen excesivas cantidades de arena fina y partículas de tamaño limo son difíciles de compactar, en estos casos se requiere un esfuerzo considerable para alcanzar compacidad relativa adecuada de compactación. La zona 2 de la figura 2.7 es el límite inferior aproximado a la granulometría para compactación por vibroflotación. Los depósitos de suelo cuyo cuya granulometría cae en la zona 3 contienen cantidades apreciables de grava. Para esos suelos, la tasa de penetración de la prueba es bastante pequeña y la compactación por vibroflotación resulta antieconómica a largo plazo.

Figura 2.5 Espaciamiento de las pruebas para vibroflotación

La granulometría del material del relleno es uno de los factores que controlan la velocidad de densificación. Brown (1977) definió una cantidad llamada número de apropiabilidad, SN, para clasificar un material de relleno:

Donde D50, D20 y D10 son los diámetros (en mm) a través de los cuales 50%, 20% y el 10%, respectivamente, del material está pasando. Entre menor es el valor de SN, menor es el material de relleno. La siguiente tabla da el sistema de clasificación de un material de relleno propuesto por Brown (1977)

S N=1.7√ 3

(D50 )2+ 1

(D 20 )2+ 1

(D 10 )2

(2.6)

Figura 2.6 Rango efectivo dela granulometría del suelo para vibr flotación

1.7 Precompresión: Consideraciones generales

Cuando estratos de suelo arcilloso normalmente consolidado, altamente compresible, se encuentran a una profundidad limitada y grandes asentamientos por consolidación son esperados como resultado de la construcción de grandes edificios, terraplenes de carreteras o presas de tierra la precompresión del suelo se usa para minimizar el asentamiento posterior de la construcción. Los principios de la compresión se explican con referencia a la figura 2.7. Aquí, la carga estructural propuesta por área unitaria es ∆P(P) y es espesor del estrato de arcilla sometida a consolidación es Hc. El asentamiento máximo por consolidación primaria causado por la carga estructural, S(P), es entonces

S( p)=CcHc1+eo

logPo+∆ P( p)

Po

La relación asentamiento-tiempo bajo la carga estructural será como la mostrada en la figura 2.8b. Sin embargo si una sobrecarga de ∆ P( p)+∆P ( f ) se coloca sobre el terreno, el asentamiento por consolidación primaria S( p+ f ) será

S( p+ f )=CcHc1+eo

logPo+[∆ P( p)+∆ P( f )]

Po

La relación asentamiento-tiempo bajo sobre una sobrecarga ∆ P( p)+∆P ¿) se muestra también en la figura 2.8b. Norte que es un asentamiento total S(p) ocurría en el tiempo t2 que es mucho más corto que t1. Entonces, si una sobrecarga total temporal de ∆ P( p)+∆P (f ) se aplica sobre la superficie del terreno durante el tiempo t2, el asentamiento será igual a S(p) . En ese tiempo, si la sobrecarga se retira y se construye una estructura con una carga permanente con área unitaria ∆ P( p), no se tendrá un asentamiento apreciable.

(2.7)

(2.8)

Figura 2.7 Variacion de la compacidad relativa (a) antes de la compactacion; (b) después de la compactacion (según Basore y Boitano, 1969)

Figura 2.8 Principios de precompresión

Este procedimiento se denomina precompresión. La sobrecarga total ∆ P( p)+∆P ¿) se aplica por medio de rellenos temporales.

Derivación de ecuaciones para obtener ∆ P ( p )+t 2La figura 2.8b muestra que, bajo una sobrecarga de ∆ P( p)+∆P ¿), el grado de consolidación en el tiempo t2, después de la aplicación de la carga es

U=S ( p)

S( p+ f )

La sustitución de las Esc. (2.7) y (2.8) en la Ec. (2.9) se obtiene

La figura 2.9 de las magnitudes U para varias combinaciones de ∆ P( p)/Po y ∆ P( f )/∆ P( p) . El grado de consolidación dado en la ecuación (2.9) es realmente el grado de consolidación promedio en el tiempo t2, como muestra la figura 2.8b. Sin embargo, si se usa el grado de consolidación promedio para determinar el tiempo t2, es posible que se presenten algunos problemas de construcción. La razón es que, después de que se retira la sobrecarga y se coloca la carga estructural, la porción d arcilla cercana a la superficie de drenaje continuara expandiéndose y el suelo cercano

(2.9)

U=log [ Po+∆ P( p)

Po ]log [ Po+∆ P ( p )+∆P (f )

Po ]=

log [1+∆ P( p)Po ]

log⟨1+∆ P( p)Po [1+ ∆ P( f )

∆ P( p) ]⟩

(2.10)

al plano medio continuara asentándose (figura 2.10). En algunos casos podría presentarse un asentamiento neto continuo. Un enfoque conservador ayuda a resolver este problema; es decir, suponga que U es la ecuación (2.9) es el grado de consolidación a medio plano (Jonhson, 1970a)

Figura 2.9 Grafica de ∆P(f)/∆P(p) versus U para varios valores de ∆P(p)/Po-Ec.2.10

U=f (Tv )

Donde

Tv = factor tiempo = Cvt2/H2

Cv = coeficiente d consolidación

t2 = tiempo

H = trayectoria de drenaje máximo (=Hc/2 para drenaje en dos direcciones e igual a Hc para drenaje en una dirección)

La variación de U (grado de consolidación en el plano medio) con Tv está dada en la figura 2.11.

(2.11)Figura 2.10

Procedimiento para obtener parámetros de precompresiónDos problemas llegan a encontrar los ingenieros durante el trabajo de precompresión en el campo:

1. El valor de ∆P(f) es conocido, pero t2 debe ser obtenido. En tal caso, obtenga Po, ∆P(p) y despeje U usando la ecuación (2.9) o la figura 2.10. Para este valor de U, obtenga Tv de la figura 2.12. Entonces

Figura 2.11 Grafica del grado de consolidación en el plano medio versus Tv

t 2=TvH ²Cv

2. Para un valor especificado de t2 debe obtenerse ∆P(f). En tal caso, calcule Tv. Luego refiérase a la figura 2.12 para obtener el grado de consolidación U a medio plano. Con el valor estimado de U, vaya a la figura 2.10 para obtener el ∆P(f)/∆P(p) requerido y calcule ∆P(f).

EJEMPLO 1

Refiérase a la figura 2.8. Durante la consolidación de un puente carretero se espera que la carga permanente promedio sobre el estrato de arcilla se incremente aproximadamente 115 Kn/m2. La presión efectiva promedio por sobrecarga a la mitad del estrato de arcilla es de 210 Kn/m2. Se tiene, Hc = 6m, Cc = 0.28, eo = 0.9 y Cv = 0.36 m2/mes. La arcilla esta normalmente consolidada. Determine:

a. El asentamiento total por consolidación primaria del puente sin precompresiónb. La sobrecarga, ∆P(f), necesaria para eliminar por precompresión todo el

asentamiento por consolidación primaria en 9 meses.

Solución:

Parte a

El asentamiento total por consolidación primaria se calcula con la Ec. (2.7)

S ( p )=CcHc1+eo

logPo+∆ P (p )

Po=

(0.28)(6)1+0.9

log210+115210

=0.1677m=167.7mm

Parte b

Tv=Cvt 2H ²

Cv=0.36 m2

mes

H=3m (drenaje endosdirecciones )

t 2=9meses

(2.12)

Por consiguiente,

Tv=(0.36)(9)

3²=0.36

De acuerdo con la figura 2.11, para Tv= 0.36 el valor de U es d 47%. Ahora

∆P(p) =115 Kn/m2

Po =210 Kn/m2

Entonces

∆ P( p)Po

=115210

=0.548

De acuerdo con la figura 2.9, para U = 47% y ∆ P( p)Po

= 0.548, ∆P(f)/∆P(p) =1.8, por lo

que

∆ P ( f )=(1.8 ) (115 )=207Kn /m ²