Comportamiento Elastico Y Plastico De Los Suelos

COMPORTAMIENTO ELASTICO Y PLASTICO DE LOS SUELOS

Elasticidad  El módulo elástico también se conoce como módulo de Young en honor a Thomas Young, quien publicó el concepto a principios del siglo XVIII.  Un material es elástico si puede volver a su tamaño o forma original después de ser estirado o exprimido (siempre y cuando la aplicación o la acción no se deforma permanentemente el material).  Un módulo de elasticidad puede calcularse para cualquier material sólido y es la relación del esfuerzo a la deformación.  Un concepto clave a recordar es que el módulo de elasticidad no es lo mismo que la fuerza. La resistencia se mide por la tensión necesaria para romper un material, mientras que las medidas de elasticidad como de bien un material vuelve a su forma original.  Cuanto menor sea el MPa o kPa (pascal), más elástico el objeto o tipo de suelo es.

Factores que influencian el módulo del suelo  El suelo con partículas estrechamente empaquetadas tiende a tener un módulo más alto. Esto puede determinarse mirando la densidad o porosidad seca del suelo. Sin embargo, dos muestras de suelo pueden tener la misma densidad en seco pero diferentes estructuras, como suelta o densa, y por lo tanto tienen diferentes módulos.  El contenido de agua también afecta a los módulos. A bajos contenidos de agua el agua une las partículas, aumenta el estrés y la succión entre las partículas y da lugar a un alto módulo de  Si el suelo ha sido sometido a un estiramiento en el pasado, tendrá un impacto en el módulo. Un suelo consolidado tendrá generalmente un módulo más alto que en el mismo suelo normalmente consolidado.  Los suelos pueden ver cementación, o un efecto de cola, entre las partículas de cualquiera de bajo contenido de agua o la cementación química desarrollada en los contactos. Esta cementación conduce a un aumento en el módulo.

Módulo de Young o Modulo elástico y coeficiente de Poisson  La ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke, originalmente formulada para casos del estiramiento longitudinal, establece que el alargamiento unitario (ε) que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F: Donde: δ = El alargamiento L = La longitud original E = El módulo de Young (característica intrínseca del material) A = La sección transversal de la pieza estirada.

 La ley se aplica a materiales elásticos hasta un límite, el denominado límite elástico. Más allá de la tensión a la cual corresponde dicho límite (punto A del siguiente gráfico) deja de cumplirse el criterio de proporcionalidad lineal entre la presión ejercida y la consecuente deformación.

Coeficiente de Poisson  Es el efecto por el cual un cuerpo adelgaza cuando es estirado o se ensancha al ser comprimido.

 Para muchas situaciones de proyecto es habitual limitar las solicitaciones a las que se ve sometido el terreno al campo elástico, dado que bajo esta premisa la predictibilidad del comportamiento del terreno requiere de un conocimiento relativamente simple del mismo. Por lo general, esta condición se cumple en suelos granulares sometidos a tensiones moderadas, y para suelos coherentes en los que no se supere la tensión de sobre consolidación.  En suelos coherentes en los que las tensiones aplicadas superan dicho umbral, las deformaciones deben ser descritas en el campo plástico, para lo cual se adopta en la mayoría de los casos el modelo de la consolidación.

Plasticidad  Se define como plástica una deformación provocada por la aplicación de una tensión, para la cual se inducen deformaciones no recuperables sin que aparezcan discontinuidades en el medio (caso en el cual se considera alcanzada una situación de rotura)

 La plasticidad se dice perfecta cuando no se ve acompañada ni de viscosidad ni de endurecimiento por deformación (aumento del límite elástico que supone una cierta fragilización del material).  Las deformaciones irreversibles, plásticas o permanentes sólo aparecen a partir de un cierto umbral de tensión, por debajo del cual las deformaciones se consideran perfectamente elásticas.  El modelo de consolidación, aplicado a terrenos coherentes, es el caso más habitual de aplicación del criterio plástico en el estudio de la deformabilidad de los suelos. Otra situación en la cual también se recurre a un modelo plástico en mecánica de suelos es el estudio de la consolidación secundaria

Esfuerzos y Deformaciones Elásticas en los Suelos  Cuando un material esta sujeto a esfuerzos, este responde con deformaciones. Entonces es necesario trazar una historia de los cambios entre los esfuerzos y las deformaciones y así obtener una curva esfuerzo-deformación.  Se debe comprobar que las deformaciones producidas en el suelo al aplicar las cargas exteriores son menores a la deformación admisible y así asegurar la estabilidad del suelo.  Para esto se debe obtener la curva esfuerzo deformación del suelo.

 El grado de deformación producido por un esfuerzo dependerá de la composición, relación de vacíos, historia del esfuerzo, y forma en que se apliquen los nuevos esfuerzos.  Para poder hallar la deformación de un suelo muchas veces es mejor medir directamente las deformaciones producidas en un ensayo de laboratorio bajo los esfuerzos que existirán en el terreno real.  Sin embargo, los suelos se diferencian mucho de otros materiales, debido a su naturaleza porosa y compuesta de partículas.  El comportamiento de un material perfectamente elástico solo depende de sus condiciones inicial y final, independientemente del camino que tomen durante el cargado o descargado, esto debido a que presentan un comportamiento lineal.

Ensayos de la mecánica de suelos para la obtención de módulos  ENSAYO DE COMPRESION SIMPLE  ENSAYO TRIAXIAL  ENSAYO TRIAXIAL CICLICO  ENSAYO DE PLACA DE CARGA  ENSAYO EDOMETRICO  ENSAYO CBR

PROBLEMAS DE CIMENTACION

Son aquellos que se producen por fallo en el diseño o en la construcción de la cimentación del edificio.

CIMENTACIONES INSUFICIENTES  Se producen cuando las dimensiones del cimiento producen tensiones excesivas sobre el terreno. Un caso frecuente es el de las edificaciones antiguas en las que muchas veces los muros de carga apoyan directamente sobre el terreno. CIMENTACIONES MUY DISTINTAS  Esta situación se produce cuando se utilizan sistemas de cimentación muy distintos en el mismo terreno. Un caso frecuente es el de edificios en los que el perímetro se apoya sobre una pantalla, mientras que los pilares interiores apoyan sobre zapatas aisladas. DEGRADACION ESTRUCTURAL  Se produce cuando la cimentación resulta atacada por agentes exteriores. Casos muy notables pueden producirse por la degradación de los morteros en las zapatas de mampostería o la pudrición de pilotes de madera.

Cimentación Superficial  En las cimentaciones superficiales pueden ocasionarse fallos por alguna o la combinación de las siguientes causas:  Socavación y arrastre de finos.  Cimentación apoyada sobre rellenos mal compactados o flojos.  Existencia de arcillas expansivas o suelos colapsables.  Existencia de zanjas rellenas mal compactadas.  Hundimiento de oquedades o cavernas no detectadas en etapa de estudio inicial.  Cimentaciones en laderas, donde pueden producirse fenómenos de reptación o deslizamientos provocados por la excavación.  Heterogeneidad de la cimentación o del terreno, que provoca asientos diferenciales entre apoyos.

Cimentación Profunda  En las cimentaciones profundas pueden ocasionarse fallos por:  Rozamiento negativo.  Los empujes laterales sobre pilotes pueden provocar esfuerzos de flexión no calculados en el dimensionamiento.

Muros y Pantallas En muros de contención y pantallas puede ocurrir:

Fallo en los apuntalamientos o en anclajes.  Acción del agua por empuje sobre el trasdós del muro como consecuencia de sobreelevaciones del nivel freático.  Valoración incorrecta de las acciones.

Soluciones a los problemas de Cimentación Intervenciones superficiales Serán los casos en que la intervención de la cimentación se practique en un nivel próximo al de los cimientos existentes o mejorando la resistencia del terreno de apoyo. Hay tres tipos de actuaciones según la necesidad de la cimentación o la calidad del terreno: el refuerzo, la ampliación y la sustitución.

 Refuerzo: se emplea cuando el área de apoyo es suficiente pero la cimentación es deficiente por mala ejecución o por deterioro. Las soluciones más empleadas para el refuerzo son la inyección de lechada o mortero de cemento (directa, entre tablestacas o entre muretes) y la introducción de armaduras.  Ampliación: Cuando la cimentación es correcta y se conserva bien pero el área de apoyo es insuficiente, será necesaria la ampliación de la cimentación para conseguir la superficie de apoyo conveniente. Solo hay dos tipos de ampliaciones, las laterales y las ampliaciones por debajo. También se ha de tener en cuenta la mejora del terreno pero como algo complementario.  Sustitución: Cuando la reparación o la ampliación no es viable por el gran deterioro de la cimentación se procederá a la sustitución completa sin tener en cuenta la cimentación ya existente. Se pueden sustituir tanto las zapatas aisladas como las continuas, además también nos queda la opción del puenteado, que consiste en hacer otra cimentación a los lados o en el perímetro de la cimentación existente.

Intervenciones Profundas La intervención en profundidad tendrá dos líneas principales de actuación, la sustitución de la cimentación por una nueva y el refuerzo de la cimentación ya existente. Pero aunque tengamos estas dos líneas de intervención nosotros haremos la clasificación de las intervenciones profundas según si intervienen para: recalzar cimentaciones superficiales, rehabilitar el edificio para construir sótanos o recalzar cimentaciones profundas.

También utilizaremos este tipo de intervención cuando se vayan a realizar obras en el entorno que puedan afectar a la estructura. • En cimentaciones superficiales se recurrirá a una intervención profunda cuando la ejecución de recalces superficiales es muy dificultoso por la presencia de terrenos inestables o niveles freáticos, y cuando la capacidad portante del estrato de apoyo es insuficiente. Las intervenciones sobre estas cimentaciones pueden ser por pilotes (pilotes, micropilotes, pilotes especiales) o por pozos. • En la creación de sótanos hay que tener en cuenta que el edificio no esta dañado, y únicamente queremos rehabilitar el edificio. Aquí empezaremos con una gran ventaja, el edificio tiene un correcto funcionamiento y por ello el factor del tiempo no juega en nuestra contra y además el edificio nos da una mayor fiabilidad a la hora de la ejecución de la intervención puesto que la estructura aguantara mas al no estar dañada. Los métodos mas utilizados serán: la prolongación hacia debajo de la estructura recalzando pilares y muros, la rigidización del edificio y posteriormente una ejecución en sótano de una estructura portante, y por último, conservar la fachada y hacer una nueva estructura interior. • En cimentaciones profundas se recurrirá a la este tipo de intervención cuando debamos sustituir o mejorar un pilotaje deficiente. El método utilizado serán los pilotes.

Intervenciones sobre el terreno Anteriormente hemos estudiado las intervenciones que afectan a la cimentación pero hay casos puntuales en que transformar el terreno para hacerlo apto es la única solución posible o bien es una medida complementaria. Con estas intervenciones trataremos de mejorar o corregir la capacidad portante del terreno. Para conseguir esta mejora del terreno contamos con varios métodos.

Las inyecciones: se inyectan determinados productos en el interior de un suelo a fin de mejorar sus características, como aumentar la resistencia disminuir la permeabilidad o reducir la compresibilidad. Normalmente se usa lechada de cemento en dosificaciones de ½ aunque depende del terreno se pueden usar productos químicos como la acrilamida, el fenoplasto o el aminoplasto. • El jet-grouting: se trata de un sistema de inyección a presiones muy altas. Este sistema trata de romper el terreno mediante las altas presiones para dejar espacio a una inyección de lechada de cemento que impacta a gran velocidad con el terreno mezclándose con él y consiguiendo un terreno nuevo y mejorado, apto para efectuar la cimentación o recalzar. • El drenaje: ya sea por escorrentías o por la subida del nivel freático, la saturación del terreno con agua disminuye la capacidad portante de éste, así que tomar medidas en el terreno para obtener un buen drenaje pueden ayudar a mejorar el terreno. • Otras operaciones como el armado del terreno, la sustitución de capas del terreno malas para la resistencia del terreno o la compactación del terreno para así aumentar la densidad de este y que disminuya su compresibilidad.

TIPOS DE FALLAS MAS COMUNES EN LOS TALUDES

Factores Geomorfológicos  Topografía de los alrededores del talud.  Distribución de las discontinuidades y estratificaciones.

Factores Internos  Propiedades mecánicas de los suelos constituyentes.  Estados de esfuerzos actuantes.  Factores climáticos y concretamente el agua superficial y subterránea.

Fallas ligadas a la estabilidad de las laderas naturales  Ocurren en laderas naturales, aun cuando de un modo u otro también pudieran presentarse de manera ocasional en taludes artificiales.  La inclinación de este talud tiene que ser suficientemente suave y/o su altura suficientemente pequeña para que sea estable.  El talud tendrá una inclinación media aproximadamente igual al ángulo de reposo que tendría si el material se vertiera directamente.

Falla por deslizamiento superficial  Cualquier talud esta sujeto a fuerzas naturales que tienden a hacer que las partículas y porciones del suelo próximas a su frontera deslicen hacia abajo; el fenómeno es mas intenso cerca de la superficie inclinada del talud a causa de la falta de presión normal confinante que allí existe.  El fenómeno se pone de manifiesto por una serie de efectos notables, como:  Inclinación de arboles.  Rupturas de muros.  Acumulación de suelos en las depresiones y valle.

FALLA ROTACIONAL  En el primer lugar se define una superficie de falla curva, a lo largo de la cual ocurre el movimiento del talud.  Ocurren por lo general en materiales arcillosos homogéneos o en suelos cuyo comportamiento mecánico este regido básicamente por su fracción arcillosa.  Afectan a zonas relativamente profundas del talud, siendo esta profundidad mayor.  Las fallas rotacionales circulares pueden afectar a masas muy anchas.

Falla Traslacional  Consisten en movimientos traslacionales importantes del cuerpo del talud sobre superficies de fallas básicamente planas, asociadas a la presencia de estratos pocos resistentes localizados a poca profundidad bajo el talud.  La superficie de falla se desarrolla en forma paralela al estrato débil.  Los estratos débiles que fomentan estas fallas son por lo común de arcillas blandas, arenas finas o limos no plásticos sueltos.

Flujos Se refiere este tipo de falla a movimientos más o menos rápidos de una parte de la ladera natural, de tal manera que el movimiento en si y la distribución aparente de velocidades y desplazamientos se asemeja al comportamiento de un líquido viscoso.

Taludes en Suelos Los taludes en suelos rompen generalmente a favor de superficies curvas, con forma diversa condicionada por la morfología y estratigrafía del talud.

ROTURA CIRCULAR DE PIE:  Puede ser aproximadamente circular (la más frecuente), con su extremo inferior en el pie del talud, (deslizamiento de pie), cuando éste está formado por terreno homogéneo o por varios estratos de propiedades geotécnicas homogéneas.

ROTURA CIRCULAR PROFUNDA:  Puede ser casi circular pero pasando por debajo del pie del talud (deslizamiento profundo).

ROTURA SEGÚN UNA POLIGONAL:  Si se dan determinadas condiciones en el Talud, como la existencia de estratos o capas de diferente competencia, puede tener lugar una rotura a favor de una superficie plana o de una superficie poligonal formada por varios tramos planos.

ROTURA PLANA:  Las roturas de taludes en suelos a favor de un único plano paralelo al talud son prácticamente inexistentes, aunque este modelo puede ser válido en el caso de laderas naturales con recubrimientos de suelos sobre rocas.

Taludes en Roca Los modelos de rotura más frecuentes indicados en la siguiente figura son:

 Rotura plana  Rotura en cuña  Por vuelco  Por pandeo  Curva.

ROTURA PLANA:  Se produce a favor de una superficie preexistente, que puede ser la estratificación, una junta tectónica, una falla, etc.

ROTURA EN CUÑA  Corresponde al deslizamiento de un bloque en forma de cuña, formado por dos planos de discontinuidad, a favor de su línea de intersección.

VUELCO DE ESTRATOS:  Se produce en taludes de macizos rocosos donde los estratos presentan buzamiento contrario a la inclinación del talud y dirección paralela o subparalela al mismo.

ROTURA POR PANDEO: Las causas que pueden generar la rotura por pandeo son:  Altura excesiva del talud.  Existencia de fuerzas externas aplicadas sobre los estratos.  Geometría desfavorable de los estratos.  Existencia de presiones de agua sobre los estratos.  Concentración desfavorable de tensiones.

FORMAS DE ESTABILIZACION DE TALUDES Y DESLIZAMIENTOS  EXCAVACION  DRENAJE  CONTRAFUERTE DE TIERRA O ROCA (BERMAS DE RELLENO9  ESTRUCTURAS DE RETENCION

EXCAVACION

DRENAJE

CONTRAFUERTE DE TIERRA O ROCA

Estabilizaciones de taludes mediante banquetas

EJEMPLO DE TIERRA REFORZADA

MUROS DE GAVIONES

RECUBRIMIENTO CONC CONCRETO LANZADO

REVESTIMIENTO CON VEGETACION PARA EL CONTROL DE EROSÓN

DETALLE DE BIOMANTA- CARRETERA OXAPAMPA- PAMPA SECA

CARRETERA TARAPOTO- JUANJUÍ

CARRETERA TARAPOTO - JUANJUI

MUROS ENTRAMADOS – MINA COBRIZA

TALUD CARRETERA YANACOCHA - ANTES

SISTEMA TERRAMESH CARRETERA YANACOCHA

SISTEMA TERRAMESH CARRETERA YANACOCHA

SISTEMA TERRAMESH - CARRETERA CHALHUANCA ABANCAY