Geotecnia: Procesos de Formación del Suelo y Tipos de Cimentaciones
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superficie terrestre se elevan de una manera gradual por la formación
de montañas y la actividad volcánica.
Los procesos internos obtienen su energía del interior de la
tierra, mientras tanto los procesos externos opuestos están
continuamente rompiendo la roca y desplazando los derrubios a zonas
de menor elevación.
Procesos externos:
1. Meteorización: es la fragmentación física (desintegración) y
alteración química (descomposición) de las rocas de la
superficie terrestre. Por consecuencia de su exposición a los
agentes atmosféricos, con participación de agentes biológicos.
La meteorización es la respuesta de los materiales
terrestres un ambiente cambiante. Ejemplo: las
rocas situadas encima de un gran cuerpo ígneo
intrusivo pueden ser eliminadas, dejándolo
expuesto a la superficie; después de millones de
años de levantamiento.
Tipos de meteorización:
1.1. Física/Mecánica: Consecuencia de los cambios en las variables
físicas de la atmósfera como la temperatura y la insolación, se
genera la disgregación de las rocas en fragmentos de menor
tamaño, permitiendo una mayor actuación de los otros tipos de
meteorización.
Los cambios en la temperatura o de
insolación hacen que debido a los diferentes
coeficientes de dilatación de los minerales de una
roca, se originan tensiones internas que terminen
en su disgregación.
Cuando una roca sufre MM, se rompe en
fragmentos cada vez más pequeño, que conservan
cada uno las carácterísticas del material original.
El resultado son muchos fragmentos pequeños
procedentes de uno más grande; la MM incrementa
la cantidad de área superficial disponible ara la
meteorización química.
Existen cuatro procesos físicos importantes que inducen la
fragmentación de la roca:
1.1.1. Fragmentación por helada:
La congelación del agua en un espacio confinado
que ejerce una presión hacia afuera sobre las paredes
del lugar donde se encuentra. Ejemplo: Se considera
una jarra de vidrio herméticamente sellada de agua, se
congela el agua y el envase se rompe.
1.1.2. Descomprensión:
Ocurre cuando grandes masas de roca ígnea quedan
expuestas a la erosión y empiezan a soltarse losas
concéntricas.
El lajeamiento es provocado por la expansión de la roca
cristalina a medida que la erosión. El proceso genera
capas semejantes a las de una cebolla.
1.1.3. Expansión térmica:
El calentamiento de una roca produce expansión, y el
enfriamiento causa contracción. La dilatación y
reducción repetida de minerales con índices de
expansión diferentes ejercen cierta presión sobre la
capa externa de la roca.
1.1.4. Actividad bilógica:
Las actividades de los organismos como plantas,
animales, entre otros. Generan fracturas en las rocas, en
su crecimiento o desplazamiento sobre el suelo rocoso,
esto trae como consecuencia que los procesos físicos y
químicos pueden actuar con más efectividad.
1.2. Meteorización química:
1.2.1. Oxidación: Oxigeno + Hierro = Oxido férrico. (Se
pierden electrones de un elemento durante la
reacción).
1.2.2. Hidratación: Fijación de molecular H2O en un
mineral.
1.2.3. Hidrolisis: Desdoblamiento de un mineral o
molécula, provocado por los radicales OH y H.
1.2.4. Disolución: Debido a un agente disolvente. Las
moléculas que componen los materiales son
arrastrados y/o sustituidas.
1.3. Meteorización biológica: Consiste en la ruptura de las rocas
por actividades de animales y plantas. Combinan los procesos
de disgregación y alteración.
2. Procesos gravitacionales: transferencia de la roca y suelo, bajo
la pendiente por influencia de la gravedad.
3. Erosión: es la eliminación física del material por agentes
dinámicos como el agua, viento o hielo.
Procesos de formación del suelo:
Es producto de la interacción compleja de varios factores,
entre ellos la roca madre, el tiempo, el clima, las plantas y los animales;
todos los factores son interdependientes.
El suelo es básicamente formado por la meteorización o erosión
de la roca madre, disgregándola en función de tres fases:
1. Física: debido a cambios términos meteorizando el suelo, y
con el efecto del agua erosionando el suelo.
2. Biológica: Debido a las bacterias como la putrefacción de
materiales orgánicos, mezclado con el producto de otras
particas de origen físico y químico.
3. Química: Originada por efecto de hidratación, disolución y
oxidación.
Existen dos tipos de suelos resaltantes:
1.
Suelo
Residual: el cual permanece in Situ, no se ha llevadoa transporte. Producto de la descomposición por efecto de
meteorización; como roca Fresca sana, fresca, meteorizada
dura, meteorizada blanda y descompuesta.
2. Suelo transportado: todo lo contrario. Producto de la erosión
del suelo y de las rocas, por efectos físicos, químicos o
bilógicos; como suelos coluviales, aluvionales, lacustres,
litorales, glaciares, áridos, desérticos y evaporiticos.
Permeabilidad: la capacidad que tiene el agua de trasladarse dentro
de una partícula de suelo, por sus poros de manera que pueda fluir a
través de él.
Caracterización geotécnica de los suelos:
1. Depósitos coluviales: formados por los efectos de erosión
del agua y su alteración. Es muy cercana al sitio de origen,
generalmente por fragmentos angulosos y heterogéneos de
tamaño grueso. Estos suelos se encuentras en zonas de
problema de inestabilidad.
2. Depósitos aluviales: formados por materiales transportados
de tamaño muy heterogéneos. Es de gran ayuda para
material de construcción.
3. Depósitos lacustres: formados por materiales transportados
de grano fino, contienen materia orgánica. Regularmente
provienen de suelos blandos.
4. Depositas litorales: formado por acción mixta de ambientes
continentales, marinos; contiene materia orgánica y
carbonatos. Su carácterística principal es la alta
compresibilidad.
5. Depósitos glaciares: formados por la acción del hielo y
deshielo. Suelos vulnerables.
6. Depósitos de climas áridos: bajo contenido de humedad, bajo
contenido de materia orgánica.
7. Depósitos evaporiticos: formador por la precipitación
química de sales, cloruros o sulfatos. Produce reacción
química a los hormigones, además de presentar
problemas de hundimiento cuando se produce
disolución.
8. Depósitos de climas tropicales: altas temperaturas,
humedad; que determinan una inmensa meteorización.
9. Depósitos volcánicos:
Suelos con problema especiales:
1. Arcillas expansivas: estructura mineralógica les permite
absorber agua, ocasionando un cambio de volumen.
2. Suelos dispersivos: la fuerza de repulsión de las particular es
mayor a la de atracción. Cuando entra en contacto con el
agua, los agregados se separan.
3. Suelos salinos y agresivos: están asociados a un alto grado
de concentración de sales.
4. Suelos colapsables: estructura muy abierta e inestable, no
contienen ningún tipo de cohesión. Al aumentar la
humedad la condición original cambia y genera colapso.
5. Permafrost: causada por la congelación del mismo.
6. Suelos licuables: el contenido predominante es areno-limoso
en estado saturado. Producen aumento de las presiones
intersticiales. Efectos de licuefacción.
Susceptibilidad de licuefacción, Método de Yegian y Whitman.
Permite estimar susceptibilidad de licuefacción. Si los
esfuerzos cortantes (Sc), causados por el terremoto superan la
resistencia tangencial del suelo, es posible la licuefacción.
???????????? =
???????? ????????????????????????????????????
???????? ????????????????????
Si ILP>1, es posible licuefacción.
???????? ???????????????????????????????????? =
????(????.????????)????
(???? + 16)????`
Donde:
- M, magnitud del terremoto
- H, profundidad considerada en ft.
- R, distancia al foco en mi
- ????`, tensiones efectivas, en psi.
Tema 6.
Túneles
El aprovechamiento del espacio subterráneo constituye en la
actualidad una de las alternativas más idóneas para el desarrollo de vías
rápidas de comunicación. Con tiene tanto desde el punto de vista medio
ambiental como funcional:
Acortamiento de distancias.
Seguridad.
Menor impacto ambiental.
La mayoría de los túneles se construyan para salvar un obstáculo
natural y permitir el acceso a vías de comunicación para:
- Transporte urbano.
- Transvases y conducciones
- Unir islas y para pasos fluviales
Las excavaciones subterráneas están estrechamente relacionada
con la energía y recursos minerales
- Aprovechamiento hidroeléctricos
- Centrales
- Explotaciones minerales
- Almacenamiento subterráneo.
Sección de un túnel.
1. Sostenimiento: elementos estructurales de sujeción del
terreno, aplicados inmediatamente después de la excavación
del túnel, con el fin de asegurar estabilidad durante la
construcción y después de ella, así como garantizar las
condiciones de seguridad.
2. Revestimiento: se coloca posterior al sostenimiento y
consiste en aplicar una capa de concreto encima del elemento
anterior. Con el fin de proporcionar resistencia a largo
plazo y un acabo regular, mejorando su funcionalidad,
impermeabilidad, entre otros. También proporciona
estética a la obra debido a la luminosidad.
Parámetros geomecánicos de diseño
Requiere datos geológicos y geomecánicos para el diseño de
sostenimientos, selección del método de excavación y los
tratamientos del terreno.
1. Datos básicos del proyecto:
- Perfil topográfico y planta del trazado a lo largo del eje
del túnel.
- Sección tipo de la excavación, situación de
emboquilles, distancias, etc.
2. Datos de carácter sistemático:
- Estructura geológica, litológica, fallas, mapas y cortes
geológicos.
- Condiciones hidrogeológicas, permeabilidad y flujo
subterráneo.
- Propiedades geomecánicas de la matriz rocosa,
discontinuidades y macizo rocoso.
- Dirección y magnitudes de las tensiones.
- Clasificación geomecánica del trazado y perfil de
sectorización geomecánica.
3. Datos de carácter singular:
- Fallas y zonas tectónicas de importancia.
4. Presentación de datos geomecánicos:
- Planos geológicos de superficie y a cota de túnel.
- Cortes geológicos longitudinal y transversal al túnel.
- Perfil de sectorización geomecánica a largo del eje del
túnel.
Magnitud y dirección de las tensiones naturales.
1. Estimar el valor K empíricamente mediante el índice SFR o
el método Sheorey; K.
El índice SFR permite estimar el parámetro K y a
partir de datos geológicos y de la deformabilidad
el macizo rocoso.
???????????? = log ????
???? ???? ???????? ???? ????????
Donde:
- T, edad del último plegamiento que afecto al macizo;
años.
- E, módulo de elasticidad de la roca matriz, GPa.
- H, máxima carga litostatica, m.
- NC, coeficiente de actividad sismotectónica.
- SC, coeficiente de influencia topográfica.
El coeficiente Nc se aplica cuando la zona esta próxima o se vea
afectada por una falla activa. En este caso su valor es 0.25.
El coeficiente SC interviene en situaciones topográficas especiales,
como laderas de valles muy profundos o escarpes. Su valor en esto
caso es 0.3.
Cuando coexistan NC y SC, solo se tomara el valor inferior 0.25.
2. Determinar la dirección de las tensiones por métodos
geológicos
3. Efectuar medidas directas mediante ensayos in situ.
Influencia de las condiciones geológicas
Al excavar un túnel se pueden encontrar tres tipos e
condiciones naturales que dan lugar a la perdida de resistencia del
macizo, y por lo tanto causa problemas de estabilidad.
- Orientación desfavorable de discontinuidades.
- Orientación desfavorable de las tensiones con respecto
al eje del túnel
- Flujo de agua hacia el interior de la excavación a favor
de fracturas o acuíferos.
La exacción del túnel también genera una gran serie de
acciones inducidas que se sumas a las citadas condiciones naturales:
- Perdida de resistencia del macizo que rodea a las
excavaciones, trae como consecuencia apertura de
discontinuidades, flujos de agua hacia el interior del
túnel, fisuracion por voladuras, alteraciones, etc.
- Reorientación de los campos tensionales dando lugar a
cambios de tensiones.
- Otros efectos como subsidencias en superficie,
movimiento de ladera, cambios en los acuíferos, etc.
Tema 6. Estabilidad de taludes.
Los taludes se construyen con la pendiente más elevada que
permita la resistencia del terreno, manteniendo unas condiciones
aceptables de estabilidad.
Tipos:
- Talud con Ángulo uniforme
- Talud excavado de forma escalonada.
Los análisis de estabilidad permiten:
- Diseñar los taludes, mediante el cálculo de su factor de
seguridad.
- Definir el tipo de medidas correctoras o estabilizadores
que deben ser aplicadas en caso de roturas reales o
potenciales.
Factores que influyen en la estabilidad:
1. Factores geométricos, altura e inclinación.
La combinación de los elementos estructurales son
los parámetros geométricos del talud define los
problemas de estabilidad.
2. Factores geológicos, condicionado por planos de debilidad.
Tensiones naturales, originan descomprensión.
Ejemplo: taludes en suelos, conforma diversa
condicionada por la morfología y estratigrafía del
talud.
3. Factores hidrogeológicos, presencia de agua.
La presencia de agua en un talud reduce su
estabilidad al disminuir la resistencia del
terreno.
4. Factores geotécnicos, resistencia y deformabilidad.
Tipos de rotura, en taludes de roca:
1. Rotura plana: es la presencia de discontinuidades buzando a
favor del talud y con su misma dirección.
2. Rotura en cuña: formado por dos planos de discontinuidad,
a favor de su línea de intersección. Los dos planos deben
aflorar en la superficie del talud.
3. Rotura por volcamiento: se produce donde los estratos
presentan buzamiento contrario a la inclinación del talud y
dirección paralela o sub paralela al mismo. Generalmente
aparecen en estratos fracturados en bloques a favor de
sistemas de discontinuidades ortogonales entre sí.
4. Vuelo de estratos.
RMR (Rock Mass Rating)
Sirve para la clasificación de macizos rocosos. Influye con
los siguientes parámetros: resistencia a la comprensión uniaxial de la
roca, RQD, espaciamiento de discontinuidades, condición de las
discontinuidades, condición del agua subterránea y prestaciones de las
discontinuidades.
Medidas de estabilización
1. Disminuir la pendiente.
2. Construir bermas: se construyen bermas intermedias en los
sitios de cambio de pendiente y en los sitios donde se
requiera para garantizar un factor de seguridad adecuado
contra deslizamiento.
3. Cortar en la cabeza del talud: se excava la cabeza del
deslizamiento, es la que aporta una mayor fuerza actuante
sobre la masa inestable.
4. Colocar materiales en el pie del talud: debe colocarse cuando
se produzcan fallas de los contrapesos por falta de capacidad
del suelo de cimentación.
4.1. Contrafuertes: una técnica para contrarrestar las fueras
actuantes en un talud colocando un peso considerable la
parte baja del talud o del deslizamiento.
4.2. Llaves de corte: es una zanja rellena de materiales de
alta resistencia, construida atravesando a la superficie
de falla en todo el ancho del talud.
Diseño para estabilidad externa:
Existente cuatro tipos de falla:
1. Deslizamiento sobre la base del muro
2. Volteo
3. Capacidad de soporte
4. Falla profunda rotacional o transicional
Tema 6. Fundaciones
Cimentaciones
Es el conjunto de elementos estructurales de
una edificación cuyo propósito es transmitir sus cargas al suelo,
distribuyéndolas de forma que no supere su presión admisible ni
produzca cargar zonales.
Cimentaciones directas: reparten las cargas de la estructura
en un plano de apoyo horizontal.
Presión de hundimiento, cuando en una
cimentación directa se aplica una carga creciente,
origina la presión para la cual se alcana el
agotamiento de la resistencia del terreno y
hundimiento es función de:
- Su resistencia a esfuerzo cortante
- Dimensiones de la cimentación
- Profundidad a que está situada
- Peso específico del suelo
- Situación del nivel freático
Cálculo de presión de hundimiento
En el proyecto de una cimentación se distirngue en tres fases
fundamentales:
1. Recolección de los datos necesarios:
- Tipo de estructura
- Situación de los pilares o apoyos, y cargas previstas
- Cargar verticales
- Cargas horizontales
- Momentos debidos a la acción del viento, empuje, etc.
1.1. Datos del terreno: se considera la resistencia del
terreno a esfuerzo cortante, su peso específico y su
deformabilidad. La deformabilidad.
2. Determinación de las tensiones de hundimiento del suelo.
3. Diseño estructural: determinación de las dimensiones y
forma de las cimentaciones, sus armaduras, etc.
Tipos de cimentaciones directas:
1. Zapatas: puede ser individuales de un solo pilar o
combinadas. Una zapata combinada es la zapata corrida o
continua, que reciben una serie de pilares alineados o un
muro
2. Las losas.
Cimentaciones profundas.
Pilote: es un elemento de cimentación en el que predomina la
longitud sobre cualquier dimensión. Normalmente se considera que un
cocimiento profundo es un pilote cuando la longitud total del elemento
es igual o superior a ocho veces el ancho o dimensión mínima del
mismo.
1. Pilotes prefabricados: son pizas rectas de concreto armado,
concreto pretensado o acero, que se introducen en el terreno
por golpeo hasta alcanzar su profundidad necesaria.
2. Pilotes excavados in situ: se ejecutan realizando una
excavación del diámetro y longitudes adecuados, en el
aunque se vacía la armadura de acero necesario para
finalmente rellanar el hueco con concreto.
- Perforación con hélice en orificio estable
- Limpieza del fondo
- Colocación de la armadura
- Hormigón con tubo
- Pilote terminado