Diseno de Cimentaciones Superficiales en Suelos Expansivos

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MECANICA DE SUELOS APLICADA A

CIMENTACIONES

EC 521G

DISEÑO DE CIMENTACIONES

SUPERFICIALES EN SUELOS

EXPANSIVOS

ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO

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I. Generalidades

El problema de los denominados suelos

El problema de los denominados suelos expansivosexpansivos alcanza décadas atr

alcanza décadas atrás, siendo reconocido al final ás, siendo reconocido al final de lade la década del 30.

década del 30.

La presencia

La presencia en el en el Perú Perú de "Suelos de "Suelos Expansivos" Expansivos" eses evidente en la z

evidente en la zona ona Norte y SurNorte y Sur. De aquí que se tr. De aquí que se trataata de dar

de dar un alcun alcance ance y y estestablecer ablecer el panorel panorama ama real real de lade la presencia de

presencia de arcillas arcillas expansivexpansivas en un pras en un proyectoyecto deo de cimentación, para luego tomar precauciones en el cimentación, para luego tomar precauciones en el diseño estructural de las

diseño estructural de las cimentaciones apoycimentaciones apoyadas enadas en este tipo de suelo.

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•

• 1ro EVALUACION CUALITATIVA1ro EVALUACION CUALITATIVA •

• 2da EVALUACION CUANTITATIVA2da EVALUACION CUANTITATIVA •

• Se Se traducen traducen en en : : expansionesexpansiones •

• asentamientosasentamientos •

• Problemas mas gravas ocurren en Problemas mas gravas ocurren en construcciones ligeras,construcciones ligeras,

pavimentos de conc

pavimentos de concreto, veredas, reto, veredas, por el poco peso por el poco peso y porquey porque generalmente no se estudio a fondo.

generalmente no se estudio a fondo.

•

• Suelos expansivos.Suelos expansivos. •

• Es todo material que va eEs todo material que va en contacto con el agua experimentan contacto con el agua experimenta

cambios volumétricos significativos, que se traduce en

cambios volumétricos significativos, que se traduce en movimmovimientosientos del suelos de cimentación, que se transmiten a la

del suelos de cimentación, que se transmiten a la estructuraestructura

afectando su funcionamiento, por medio de grietas o fisuras o de afectando su funcionamiento, por medio de grietas o fisuras o de rotura de instalaciones.

rotura de instalaciones.

•

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•

• COMPORTCOMPORTAMIENTO DAMIENTO DE LOS SUEE LOS SUELOS EXPLOS EXPANSIVOSANSIVOS

•

• 1. 1. Movimiento Movimiento de de una una ConstrucciónConstrucción

•

• a) a) Movimiento Movimiento Ascendente: Ascendente: ComienzComienza después a después de de terminada terminada lala

obra, la construcción impide la evaporación del

obra, la construcción impide la evaporación del area, favoreciendoarea, favoreciendo la saturación. Termina en 4 años aproximadamente.

la saturación. Termina en 4 años aproximadamente.

•

• b) b) Movimiento Movimiento cíclico cíclico de de expansión expansión de de la la construcción:construcción:

Relacionado con la cantidad y frecuencia de la

Relacionado con la cantidad y frecuencia de la lluvia.lluvia.

•

• c) c) Movimientos Movimientos locales locales rápidos rápidos generados generados por por rotura rotura de de tuberíastuberías

que conducen agua que conducen agua

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• La magnitud del asentamiento o expansión depende de: • a) Espesor del estrato de arcilla expansiva.

• b) Cantidad y tipo de minerales arcillosos.

• c) Mezcla de las sobrecargas que recibe el estrato de arcilla y variación vs

profundidad.

• d) Profundidad del nivel freático.

• e) Capacidad y Magnitud de succión del suelo. • f) Relación de esfuerzo horizontal a vertical Ko.

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g) Profundidad y naturaleza de los cambios de humedad. Estaciones (clima).

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Un suelo expansivo, implica no solamente la

tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta el contenido de agua, sino también la disminución de volumen o contracción si el agua se va perdiendo.

• Una manera de poder observar si un suelo

tiene potencial de hinchamiento o si presenta expansividad es mediante las siguientes

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Análisis Mineralógico : es determinar las

propiedades básicas de las arcillas, mediante técnicas adecuadas de laboratorio, los

minerales que conforman la arcilla se pueden evaluar cuantitativamente.

• Método de los índices: Los ensayos de

propiedades índices del suelo pueden ser usados para la evaluación del potencial de hinchamiento de los suelos expansivos.

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Método de los índices

Estos ensayos son fáciles de realizar y deberían ser incluidos en los ensayos rutinarios en la

investigación para un estudio de mecánica de suelos en aquellas áreas donde existen

antecedentes de presencia de suelos expansivos. Podrían incluir los siguientes ensayos estándar.

Límite líquido ... (LL). Límite plástico... (LP).

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Holtz y Gibbs (1956): demostraron que el

índice plástico y el límite líquido son índices útiles para determinar las características de expansión de las arcillas.

El grado de peligrosidad que ofrecen las arcillas ha sido correlacionado por Holtz y Gibbs en 1954 por medio de su límite de contracción según el cuadro, que durante un tiempo fue muy usada.

Límite de contracción Peligro de Hinchamiento <10 Crítico 10 – 12 Marginal

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Seed, Woodwuard y Lundgren: Considerando

que el potencial de hinchamiento está

definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente, la

cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul2 _{después de ser compactada a la}

máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad, siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. Estos

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Estos autores establecieron la siguiente

relación: • Donde : • S = potencial de hinchamiento • IP = Índice plástico • K = 3.6 x 10-5(constante)

P

I

*

K

*

60 =

S

2.44

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Una relación entre el potencial de

hinchamiento de las arcillas y el índice de plasticidad es como la que se presenta:

Indice de plasticidad:% Potencial de hinchamiento 0 – 15 Bajo 10 – 35 Medio 20 – 55 Alto <55 Muy alto

Según este cuadro

se observa que a

mayor índice de

plasticidad se

manifiesta mayor

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Ranganathan y Stayanarayana: En 1965, dan una tabla para

reconocer la potencialidad de la expansión, dando un nuevo índice de contracción; en donde este índice de contracción es obtenido como la variación del contenido de humedad

correspondiente al límite líquido y al límite de contracción según la siguiente expresión:

• IC = LL - LC • Donde:

• IC = Índice de contracción. • LL = Límite líquido.

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• Con la expresión anterior tenemos la

siguiente correlación:

Indice de contracción (%) Potencial de hinchamiento

0 – 20 Bajo

20 – 30 Medio

30 – 60 Alto

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• G.F. Sowers: En 1961, propuso una correlación

basándose en las propiedades índices de los suelos susceptibles a cambios de volumen.

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• PRESION DE HINCHAMIENTO

• David y Komornik (1969): , Propuso una ecuación que se

utiliza para calcular la presión de expansión. Esta se encuentra basada en un extenso análisis estadístico de más de 200

muestras de suelo; la ecuación propuesta por los autores es:

• Donde:

• Ps = Presión de hinchamiento ( kg/cm2 ) • LL = Límite Líquido (%)

• γ_d = Peso volumétrico seco (Ton / m3). • W_o = Humedad Natural en porcentaje.

) W 0.0269( - ) ( 0.665 + 0.0208(LL) + 2.132 = P s  _d 0 Log

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

• VIJAYVERGIVA y GHAZZALY: en 1973

establecieron la relación que determina la presión de hinchamiento para suelos

españoles y al menos es la más usada en España. ) 139.5 - LL 0.65 + 62.5 ( 19.5 1 = P 0  _d log

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II. Reconocimiento de los suelos

expansivos

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

• Los métodos más satisfactorios y convenientes

para determinar el potencial de hinchamiento y presión de hinchamiento de arcillas

expansivas, es por medio de las mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio.

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

ENSAYO DE EXPANSION LIBRE

• El ensayo de expansión libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas

adicionando agua, la cual se anota el

hinchamiento vertical en función del tiempo sin la aplicación de ninguna carga.

• Holtz en 1956 presentó el ensayo como una

prueba muy sencilla para reconocer una arcilla expansiva.

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

• ENSAYO DE EXPANSION LIBRE

• Lo que se busca en el ensayo de expansión es

el porcentaje de hinchamiento libre, que es la diferencia en el volumen final e inicial,

expresado como porcentaje del volumen inicial así: • Donde: 100 * V V -V = h % i i f L libre to hinchamien =

h L V i=Volumen inicial V f =volumen final

, ,

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

• Se presenta a continuación los resultados de un ensayo como se muestra a continuación

POZO: C-2 MUESTRA: MI-1 PROF. (m): 1.90-2.10 CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN

Diámetro del anillo(cm) 6.350 Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 Altura de la muestra final (cm) 2.780 Cont. de humedad inicial(%) 8.280 Cont. de humedad final (%) 21.37 Densidad húmeda inicial (gr/cm3₎ _1.789

Densidad seca inicial (gr/cm3₎ _1.508

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA.

• Se realiza este ensayo preparando el espécimen de un suelo

inalterado, colocando dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un

consolidómetro, con la ayuda del marco de carga y el dial de deformación, se procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra.

• La presión de expansión que se obtenga al final es la medida

de la fuerza máxima por unidad de área que pueda producir el suelo en condiciones de expansión extrema es la presión de expansión bajo carga controlada a continuación se presenta un ensayo.

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA

• ENSAYO 1

• POZO : P-3

• MUESTRA : MI-1

• PROF. (m) : 1.90-2.10

•

• CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN

• Diámetro del anillo(cm) 6.350

• Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 • Altura de la muestra final (cm) 2.628 • Cont. de humedad inicial(%) 10.00 • Cont. de humedad final (%) 35.60 • Densidad húmeda inicial (gr/cm3) 2.002 • Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.820 • Densidad húmeda final (gr/cm3) 2.385 • Densidad seca final (gr/cm3) 1.759

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

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IV. CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN

DE LA CAPACIDAD PORTANTE

En la figura adjunta: La cimentación se encuentra apoyada en un suelo con características expansivas donde:

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III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA

EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

• Donde:

• d_f : Nivel De desplante de la cimentación,

• Pc : Presión de contacto • P_exp . Presión de expansión • P : Carga que transmite la

super – estructura a la

cimentación

• B : Ancho del cimiento • q_adm : Capacidad portante

admisible del suelo • Criterios:

• Pc ≤ q_adm • Pc ≥ P_exp • Pc = P / B*L