Mecanica de Suelos II Trabajo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA“Norte de la Universidad Peruana”

SECCIÓN JAÉNFundada por Ley Nº 14015 del 13 de Febrero de 1,962

Bolívar Nº 1342 – Plaza de Armas – Telfs. 431907 - 431080JAÉN – PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA

I. PERMEABILIDAD IN SITU:

El ensayo de permeabilidad es uno de

los ensayos "in situ" llevados a cabo para

realizar un reconocimiento geotécnico. Existen

diferentes formas de ensayo que pueden

agruparse en tres: ensayos de permeabilidad

en calicatas, en sondeos y en pozos.

En cualquier caso, se obtiene la

permeabilidad media de la zona afectada por el

ensayo, que varía entre unos decímetros a

centenares de metro.

Siempre existe la incertidumbre sobre la razón de anisotropía en permeabilidad

del terreno y, en terrenos formados por varios materiales, sobre las relaciones entre

las permeabilidades de cada uno. Con determinadas disposiciones de ensayo, es

posible obtener datos que permitan la estimación de estas razones, pero en general es

un factor desconocido en la interpretación del ensayo.

ENSAYOS EN CALICATAS:

En calicatas, es posible la realización

de ensayos de permeabilidad mediante

llenado de agua hasta una cota superior

al nivel freáticocircundante, y luego

midiendo el descenso del nivel de agua en

la cata con el tiempo, o bien achicando el

agua del interior y dejando posteriormente

recuperar el nivel.





En cualquier caso, el ensayo permite, mediante la aplicación de la formulación

correspondiente, estimar el coeficiente de permeabilidad midiendo el tiempo de

recuperación.

ENSAYOS EN SONDEOS:

Las mismas variantes de ensayo son

posibles en sondeo (ensayos Lefranc). Para el

ensayo, se levanta algo la entubación, dejando

una porción de sondeo en el fondo sin

entubación lateral. A continuación se realiza el

ensayo, en cualquiera de sus modalidades (carga

fija o variable, alimentación o achique de agua).

En el caso de ensayos de carga

constante, se mantiene el nivel de agua en el sondeo mediante la adición de un

determinado caudal. El caudal que se filtra, depende de la permeabilidad, de la forma:

siendo H la diferencia de niveles de agua entre el interior del sondeo y el nivel

freático, y k el coeficiente de permeabilidad del suelo. El factor de proporcionalidad, n,

depende de las condiciones de control de cada caso (diámetro del sondeo, longitud de

la zona sin entubación, proximidad de estratos impermeables, etc.),

para





para

En el caso de ensayos de carga variable, se mide lo que desciende el nivel de

agua en un tiempo determinado. La expresión correspondiente es:

siendo H1 y H2 los valores de H en los tiempos t1 y t2 respectivamente, D0 el

diámetro de la entubación en la zona de oscilación del nivel de agua. Los valores de n

varían según las características de la entubación y del terreno en que se realiza.

Los resultados de los ensayos son muy sensibles a algunos factores de la

ejecución como la limpieza del fondo del sondeo, la posibilidad de filtraciones por el

contacto de la tubería y el terreno, etc.

Otros ensayos en sondeo son los denominados ensayos Lugeon, consistentes

en inyectar agua a presiones crecientes, en un tramo limitado por dos obturadores. Se

define la unidad Lugeon como la permeabilidad que permite la admisión de 1 litro de

agua por minuto y por metro lineal de sondeo, a una presión de 1 Kpa (10 kp/cm²).

Este ensayo se emplea en macizos rocosos, para definir la inyectabilidad de cimientos

de presas de fábrica.





ENSAYOS EN POZOS:

Cuando la permeabilidad del

terreno es un factor crítico, como ocurre

en grandes excavaciones bajo el nivel

freático, el método más fiable es la

ejecución de ensayos de bombeo en

pozo, en régimen transitorio o

permanente.

Se trata de ensayos costosos, pues implican la excavación del pozo de bombeo,

y de los sondeos para alojamiento de los piezómetros que permitan medir la evolución

de la superficie libre del agua a distintas distancias del pozo.

La interpretación de los resultados del ensayo depende de las condiciones de

contorno en cada caso particular. Tanto el diseño del ensayo como la supervisión de su

ejecución y su interpretación, requieren la intervención de técnicos especialistas en el

tema.





II. ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON INYECCIONES:

Es importante ser capaz de identificar los distintos procesos que se pueden

utilizar para mejorar la naturaleza de los terrenos, así como también los factores

involucrados para fijar las condiciones de empleo de las inyecciones, dado el

comportamiento impredecible que pueden tener los terrenos.

Las inyecciones son un procedimiento de construcción relativamente nuevo,

aunque muy reconocido hoy en día.

Se originaron en Francia a fines del siglo XIX, cuando Bérigny inyectó con éxito

morteros de cemento en el año 1802.

Las inyecciones son procedimientos que se realizan con el fin de mejorar la

resistencia del suelo.

Son procedimientos que se aplican al subsuelo, introduciendo en los poros o

fisuras del medio a tratar un producto liquido (conocido como mortero o lechada de

inyección), que se solidifica adquiriendo resistencias determinadas a través del tiempo.

Usos de las Inyecciones :

Los principales usos de las inyecciones son:

Impermeabilizar cierto volumen de suelo debajo o alrededor de una estructura.

Densificar los suelos de fundación para aumentar la resistencia a rotura y

reducir la compresibilidad.

Rellenar grietas para prevenir asentamientos excesivos.

Controlar el movimiento del suelo durante el proceso de construcción de un

túnel.

Apoyo de fundaciones.

Control del cambio de volumen de suelos expansivos.




FACULTAD DE INGENIERÍAMétodos de Inyección :

Debido a la heterogeneidad y comportamiento del terreno, existen diferentes

métodos de inyección:

Inyección por consolidación (Compaction Grouting).

Inyección por reemplazo (Jet Grouting).

Inyección por impregnación y fractura (Fracture Grouting).

Inyección de lechadas de cemento-bentonita y/o aditivos plastificantes

y aceleradores de fraguado. (Chemical / Cement Grouting).

Cada método se diferencia principalmente en la presión con la que se inyecta el

material (métodos de alta o baja presión).

Inyección por Compactación :

Adición de materiales que mejoran la capacidad portante y reducen la permeabilidad

del terreno.

En General:

ï Desplazamiento de suelo.

ï Restauración de la capacidad de carga.

En Obras:

ï Remediar densificaciones de suelo.

ï Prevenir asentamientos

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)




FACULTAD DE INGENIERÍADescripción:

Técnica que mejora las características mecánicas y el comportamiento del

terreno.

Consiste en la inyección de un material consolidante, a muy alta velocidad, a

través de una o más boquillas de diámetro pequeño.

Permite obtener un tratamiento homogéneo y continuo del terreno,

destruyendo su estructura primitiva y creando un verdadero elemento

estructural con características determinadas en función del terreno de origen.

Se puede utilizar en una amplia gama de terrenos, desde gravas a arcillas.

Procedimiento constructivo:

3. Fase de perforación por rotación : Se perfora el terreno a través de un sistema

de rotopercusión o por simple rotación.

4. Fin de la perforación : Una vez que se llega a la cota establecida se comienza

con el proceso de inyección.

5. Inicio del proceso : Se inyecta la lechada a alta presión (mediante bombas) a

través de las toberas.

6. Elevación y rotación : Se va ascendiendo al mismo tiempo que el elemento va

rotando y provocando la inyección.

7. Terminación y repetición del proceso : Se llega hasta la superficie con la

columna en cuestión y se comienza con la siguiente.

Sistemas de Jet Grouting:

Jet 1: Fluido Simple . Se inyecta lechada de cemento sola, a alta presión. Se

produce un verdadero y homogéneo suelo cemento, con la más alta resistencia

y el menor desperdicio de lechada.

Jet 2: Fluido Doble . Se inyecta lechada con aire comprimido, a una presión más

baja que en el Jet 1. El aire reduce la fricción, por lo que la lechada de cemento




FACULTAD DE INGENIERÍAse desplaza más. Se logran columnas de inyección más grandes que con el Jet 1.

Jet 3: Fluido Triple . Se inyecta lechada con aire comprimido y agua a presión. El

aire empuja el suelo circundante, generando un vacío en forma de columna

alrededor del inyector. Por otra tobera (colocada debajo de la anterior) se

inyecta la lechada de cemento, con lo cual se llena el vació creado

previamente.

El Jet 3 a diferencia del Jet 1 y del Jet 2, no es un procedimiento de mezcla in situ del

suelo, sino que es un sistema de reemplazo del mismo.

Características del Jet Grouting:

Permite formar columnas de suelo mejorado con inyección, mediante la

introducción a alta velocidad de un material consolidante (normalmente,

lechada de cemento).

El diámetro y resistencia de las columnas dependen del método de ejecución y

de las características del terreno.

Útil para la creación de muros de contención y estanqueidad.

Permite mejorar la estanqueidad en pantallas discontinuas, de pilotes o

micropilotes.

Este procedimiento se puede aplicar a suelos con todo tipo de tamaño de

partículas.

Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)

Aplicaciones del Jet Grouting:

Consolidaciones de terrenos para excavación de túneles, pozos, ejecución de

taludes, etc.

Recimentación de edificios y estructuras en general.

Muros de sostenimiento.

Pantallas impermeables.




FACULTAD DE INGENIERÍA Tapones de fondo en recintos estancos.

Inyección por Fracturación Hidráulica:

Descripción:

Consiste en la inyección del terreno mediante su fracturación por lechada, con

una presión por encima de su resistencia a tracción y de su presión de confinamiento.

Aplicación:

Esta técnica puede aplicarse a cualquier tipo de suelo y roca blanda (desde

suelos granulares gruesos a arcillas de alta plasticidad y desde rocas ígneas

descompuestas hasta margas arcillosas).

Asegura movimientos no superiores a 2 o 3 [mm] en construcciones o servicios

existentes en el entorno de la inyección

Procedimiento:

Para llevar a cabo el tratamiento es necesario perforar primeramente el taladro

de inyección y estabilizar sus paredes mediante entubación o lodo de

perforación.

Se introduce en su interior el tubo de manguitos que se sella al terreno

mediante una lechada de mortero a medida que se retira la entubación o se

desplaza el lodo de perforación. El objetivo de esta mezcla de sellado es el de

impedir que la lechada estable de cemento, que después se inyectará, circule a

lo largo del sondeo entre el tubo de manguitos y el terreno. Por lo tanto su

composición debe ser cuidadosamente estudiada de manera que se pueda

romper radialmente bajo presión, una vez fraguada, para permitir el acceso de

la lechada de inyección al terreno.

Se inyecta lechada en las fisuras naturales del suelo, o produce una serie de




FACULTAD DE INGENIERÍAfracturas hidráulicas que se rellenan con mortero y rodean a los fragmentos

(clastos); o simplemente se extienden como venas cementicias que al fraguar

producen un conjunto suelo-fractura muy resistente.

Efectos de la fracturación:

Si el medio que recibe la inyección se supone homogéneo e isótropo, la

fracturación se producirá en cada caso perpendicularmente a la dirección de

menor presión efectiva.

El desarrollo de estas inclusiones produce deformaciones en un entorno del

área directamente afectada, pues estas últimas disminuyen rápidamente al

alejarse de la inclusión forzada en el terreno. Esta circunstancia es la que

permite adoptar presiones de tratamiento muy superiores a la presión

geostática siempre que se controle tanto el volumen inyectado, como el caudal

de inyección. Entre fases sucesivas de inyección, la lechada previamente

forzada en el terreno fragua y endurece, lo que determina una rápida

reducción de las presiones generadas en el dominio del terreno afectado por la

fracturación.

Cuando se utilizan tubos manguitos de acero (inyección armada) el terreno

queda mejorado a través de 3 procesos simultáneos, pero diferenciados.

Vertebración, por inclusión coalescentes, fraguadas y endurecidas, de

lechada de cemento estable.

Bulonado o claveteado del dominio de terreno tratado, por medio de

los propios tubos de acero dotados de manguitos, que quedan

solidarizados al terreno.

Consolidación de los subdominios de terreno incluidos entre lenguas de

lechada inicialmente fluida y sometida a presiones variables.

Mejoramiento en la resistencia:




FACULTAD DE INGENIERÍA Puede utilizarse la teoría de Estado Crítico para estimar las mejoras que

experimentan la cohesión aparente c’ del terreno y su resistencia al esfuerzo

cortante sin drenaje.

La inyección por fracturación hidráulica produce un efecto de

sobreconsolidación sobre un punto del terreno. Este inicialmente tiene un

índice de poros e1 y una presión efectiva vertical s‘v, la inyección por

fracturación reduce el índice de poros hasta un valor e2 y en el manguito se

alcanza una presión de cierre pe (presión estática con el manguito abierto y

caudal de inyección casi nulo ). La presión p en la boca del taladro

correspondiente a dicho valor de cierre en el manguito será p = pe + gw hw,

siendo gw el peso específico del agua y hw la diferencia de cotas entre el nivel

freático y el punto de ubicación del manguito.

Cohesión aparente y esfuerzo de corte:

Según la teoría la cohesión aparente c’ de un suelo sobreconsolidado y su

resistencia al esfuerzo cortante cu están dadas en función de su índice de poros

e por las siguientes expresiones:

Cohesión aparente y esfuerzo de corte.

Dependiendo del tipo de suelo de que se trate, se pueden contemplar los

siguientes casos.

Suelos sobreconsolidados.

Suelos normalmente consolidados.

Ejemplos de inyección por fracturación hidráulica:




FACULTAD DE INGENIERÍA Puede aplicarse esta técnica para eliminar los empujes de muros cuya

estabilidad esté comprometida.

En el caso de edificios cimentados en la coronación de laderas inestables, el

tratamiento permite el recalce localizado de la zona de apoyo del edificio, así

como el de las zonas de laderas que más pueden afectar su deslizamiento.

Obras portuarias

Inyección por de Lechadas de Cemento (Chemical/Cement Grouting) :

Corresponde a la inyección de lechadas con diferentes tipos de aditivos y/o geles.

Este tipo de inyección puede clasificarse de acuerdo al tipo de mejora que desee

obtenerse:

Structural Chemical Grouting: busca impermeabilizar suelos arenosos

mediante lechadas que permiten crear grandes “masas” capaces de

soportar cargas.

Water Control Chemical Grouting: busca impermeabilizar suelos

arenosos mediante el relleno de los vacíos y así controlar el flujo de

agua.

Aplicaciones:

Revestimientos.

Apoyos en fundaciones.

Soporte en túneles.

Piques de excavación bajo agua.

Tranques de relave.

Estabilización de rocas.

Criterios de Inyectabilidad:




FACULTAD DE INGENIERÍA Para precisar el tipo de lechada a inyectar, es necesario determinar la relación

existente entre las dimensiones de los granos del mortero de inyección y del

esqueleto del suelo. Esto queda definido por parámetros geotécnicos del suelo

tales como:

Permeabilidad.

Estratigrafía del suelo.

Existencia de napa freática.

Porosidad del suelo.

Granulometría.

Criterio Granulométrico:

Mediante ensayos de penetración de morteros en suelos con diferentes

granulometrías se han obtenido los siguientes resultados:

Este criterio utiliza un parámetro N a partir del cual se tiene que para suelos




FACULTAD DE INGENIERÍAgranulares:

Desventajas del criterio:

Debido a que un suelo de granulometría determinada puede verse

afectada por el grado de compactación del suelo, el criterio

granulométrico no es representativo.

Resulta complicado comparar curvas granulométricas entre el esqueleto

del suelo y del mortero.

Tipos de Mezcla:

ï Mezclas Líquidas: mezclas en las cuales el tamaño de las partículas no puede

medirse fácilmente. Estos morteros pueden penetrar en todos los huecos

donde el agua tiene acceso. Entre estas mezclas se caracterizan:

Geles de silicato de sodio: soluciones que al cabo de un tiempo se

transforman en un gel duro. Se utiliza para impermeabilizar.

Resinas orgánicas: líquidos que se polimerizan y adquieren una

resistencia mayor que el hormigón.

ï Suspensiones inestables: corresponden a lechadas de cemento que forman

flóculos que sedimentan en los intersticios del esqueleto de suelo. Entre ellos

se caracterizan:

Morteros de cemento: el cemento se deposita y sedimenta en los

intersticios del suelo granular.




FACULTAD DE INGENIERÍA Morteros rebajados: se reemplaza el cemento por un polvo inerte de

arena fina.

ï Suspensiones estables: combinaciones de arcilla-cemento y arena que

proporcionan impermeabilidad una vez endurecidas. Entre ellas tenemos:

Morteros de cemento-bentonita: permite aumentar la viscosidad del

mortero a una relación agua/cemento constante.

Morteros de cemento-silicato: permite aumentar la rigidez del mortero

una ve endurecido y acelera su fraguado.

Resistencia al Corte:

ï Todos los tipos de grout mostrados anteriormente presentan baja resistencia al

corte por sí solos.

ï Sin embargo, al combinarlos con los granos de suelo es posible incrementar la

resistencia al corte de un suelo estabilizado.

ï Esto se debe a que una vez que el grout comienza a solidificarse se generan

fuerzas capilares a nivel de los granos, densificando el suelo y disminuyendo la

cantidad de vacíos.

ï Es por este motivo que suelos bien graduados tienen mayor resistencia al corte

que los suelos pobremente graduados.

ï Recordemos que la resistencia al corte de un suelo está dada por dos

parámetros:

Cohesión.

Ángulo de fricción entre partículas.

ï De esta manera se tiene que las arcillas puras virtualmente no tienen

resistencia a la fricción (f = 0º) pero tienen alta cohesión.

ï Los suelos granulares desarrollan un alta resistencia a la fricción (f = 35º en

promedio) y una cohesión casi nula.

ï Suelos cohesivos presentan alta impermeabilidad.

ï Es por este motivo que las inyecciones se utilizan principalmente en suelos




FACULTAD DE INGENIERÍAgranulares, ya que el material de relleno agrega cohesión al suelo. Esto hace

que la resistencia al corte de un suelo estabilizado aumente y a la vez se gane

impermeabilidad.

III. RAZON DE SOPORTE DE CALIFORNIA ( CBR ):

La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte (CBR) de

suelos y agregados compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles de

compactación variables. Es un método desarrollado por la división de carreteras del

Estado de California (EE.UU.) y sirve para evaluar la calidad relativa del suelo para sub-

rasante, sub-base y base de pavimentos.

El ensayo mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad

y densidad controladas, permitiendo obtener un (%) de la relación de soporte. El (%)

CBR, está definido como la fuerza requerida para que un pistón normalizado penetre a

una profundidad determinada, expresada en porcentaje de fuerza necesaria para que

el pistón penetre a esa misma profundidad y con igual velocidad, en una probeta

normalizada constituida por una muestra patrón de material chancado.

La expresión que define al CBR, es la siguiente:

CBR=(carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrón) * 100 ( % )

De la ecuación se puede ver que el número CBR, es un porcentaje de la carga

unitaria patrón. En la práctica el símbolo de (%) se quita y la relación se presenta

simplemente por el número entero.

Usualmente el número CBR, se basa en la relación de carga para una

penetración de 2,5 mm. (0,1"), sin embargo, si el valor de CBR a una penetración de 5




FACULTAD DE INGENIERÍAmm. (0,2") es mayor, el ensayo debe repetirse. Si en un segundo ensayo se produce

nuevamente un valor de CBR mayor de 5 mm. de penetración, dicho valor será

aceptado como valor del ensayo. Los ensayos de CBR se hacen sobre muestras

compactadas con un contenido de humedad óptimo, obtenido del ensayo de

compactación Proctor.

Antes de determinar la resistencia a la penetración, generalmente las probetas

se saturan durante 96 horas para simular las condiciones de trabajo más desfavorables

y para determinar su posible expansión.

En general se confeccionan 3 probetas como mínimo, las que poseen distintas

energías de compactación (lo usual es con 56, 25 y 10 golpes). El suelo al cual se aplica

el ensayo, debe contener una pequeña cantidad de material que pase por el tamiz de

50 mm. y quede retenido en el tamiz de 20 mm. Se recomienda que esta fracción no

exceda del 20%.

Método para muestras inalteradas .

Mediante este método, se determina el CBR de un suelo cohesivo en estado

natural. Se diferencia del anterior sólo en la toma de muestras, ya que los pasos para

determinar las propiedades expansivas y la resistencia a la penetración son similares.

Se tomarán tres muestras inalteradas, empleando para ello moldes CBR

armados en los extremos de su respectivo collarín. Para facilitar el hinchamiento del

molde, el collarín que se apoya sobre la superficie del terreno tendrá sus bordes

cortantes.

El procedimiento consiste en ir comprimiendo o hincando el molde contra la

superficie del terreno y al mismo tiempo retirando el suelo de alrededor del molde,

hasta que la muestra de suelo entre en el collarín superior por lo menos 25 mm.,




FACULTAD DE INGENIERÍAcuidando reducir al mínimo las perturbaciones de la muestra.

Finalmente, se retira el molde realizando un movimiento como cortando el

suelo, se retira el collarín superior, se enrasan ambas caras de la muestra y se les vierte

parafina sólida derretida con el fin de evitar pérdidas de humedad en el traslado al

laboratorio. El peso unitario y la humedad deberán ser determinados por medio del

ensayo de densidad in situ, eligiendo un lugar próximo a aquel desde donde se

obtuvieron las muestras.

Método CBR in situ .

Es un método adecuado para determinar la capacidad de soporte de un

material en el lugar donde será sometido a las solicitaciones de la estructura que

soportará. Debería realizarse cuando se presenten materiales dudosos y en

movimientos de tierra importantes. Básicamente la fase de penetración de este ensayo

es similar a la descrita anteriormente.

Lo usual es determinar primero la densidad in situ del material en el lugar de

ensayo, el cual puede ser usado bajo cualquiera de las siguientes condiciones:

- cuando in situ la densidad y el contenido de agua son tal que el grado de

saturación es de un 80% o superior,

- cuando el material es de granos gruesos y su cohesión es tal que no se vea

afectado por cambios en la humedad o

- cuando el material ha estado en el lugar por varios años. En estos casos La

humedad no es constante pero fluctúa dentro de rangos estrechos y el ensayo CBR in

situ se considera como un indicador satisfactorio de la capacidad de soporte del suelo.

Por lo general se elige un lugar donde no haya piedras mayores a 3/4", deberá

removerse el material suelto y nivelar la superficie, luego se coloca un sistema de

reacción montando un gato, con anillo dinamométrico y pistón, en forma vertical,




FACULTAD DE INGENIERÍAaplicando la reacción con un vehículo cargado u otro sistema (figura 3.21.). En caso de

que el pistón sea colocado en forma horizontal, la reacción será dada por la pared

contraria del pozo construido para este efecto.

Se colocan los anillos de sobrecarga directamente al suelo y se carga el pistón al

suelo con una fuerza menor que 4,54 kg. Se debe instalar un dial comparador para

registrar las lecturas de deformaciones, en un punto que permanezca constante e

inmóvil (por ejemplo una viga empotrada al suelo en poyos de hormigón).

La penetración se realiza en forma similar al ensayo tradicional y el ensayo se

repite en otros dos puntos escogidos con anterioridad. La forma de expresar los

resultados también es idéntica al método de laboratorio, es decir, trazando la curva

tensión contra penetración, corrigiendo la curva si fuese necesario y calculando el CBR

in situ, usando los valores de penetración de 0,1" y 0,2".





Figura 3.21. Ensayo CBR in situ (ELE Internacional Ltda., 1993).





IV. BIBLIOGRAFIA:

Hayward Baker – Grouting, Ground Improvement:

http://www.haywardbaker.com/services/compaction_grouting.htm

Chemical Grouting and Soil Stabilization, Third Edition - Reuben H. Karol

DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CBR DEL SUELO

http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/cbr/

index.html

Mejora y Consolidacion de Suelos

http://www.udc.es/dep/dtcon/estructuras/ETSAC/Profesores/

valcarcel/MaterMRHE-0809/6-Mejora%20suelos.pdf

Estabilizacion de Suelo

http://www.erosion.com.co/index.php?

option=com_content&task=view&id=66&Itemid=98

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