Mecánica de Suelos: Fundamentos Teóricos y Aplicaciones Prácticas, Apuntes de Mecánica de suelos

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FUNDAMENTOS DE

INGENIERÍA

GEOTÉCNICA

BRAJA M. DAS

cuarta edición

© D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning®^ es una marca registrada usada bajo permiso.

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Traducido del libro Fundamentals of Geotechnical Engineering, 4th Edition Braja M. Das Publicado en inglés por Cengage Learning © 2013 ISBN: 978-1-111-57675-

Datos para catalogación bibliográfica: Das, Braja M. Fundamentos de ingeniería geotécnica Cuarta edición

ISBN: 978-607-519-372-

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Fundamentos de ingeniería geotécnica Cuarta edición Braja M. Das.

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Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14

Contenido

• 1 Ingeniería geotécnica: desde el principio
  • 1.1 Introducción
  • 1.2 La ingeniería geotécnica antes del siglo XVIII
  • 1.3 Periodo Preclásico de la mecánica de suelos (1700-1776)
  • 1.4 Mecánica de suelos Clásica-Fase I (1776-1856)
  • 1.5 Mecánica de suelos Clásica-Fase II (1856-1910)
  • 1.6 Mecánica de suelos moderna (1910-1927)
  • 1.7 La ingeniería geotécnica después de
  • 1.8 Fin de una era
  • Referencias
• 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma - 2.1 Introducción - 2.2 Ciclo de las rocas y origen del suelo - 2.3 Depósitos de suelo en general - 2.4 Suelos residuales - 2.5 Depósitos transportados por gravedad - 2.6 Depósitos aluviales - 2.7 Depósitos lacustres - 2.8 Depósitos glaciares - 2.9 Depósitos de suelo eólicos
  • 2.10 Suelo orgánico
  • 2.11 Tamaño de partícula de suelo
  • 2.12 Minerales de arcilla
  • 2.13 Gravedad específica ( Ge ) viii Contenido
  • 2.14 Análisis mecánico de suelo
  • 2.15 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
  • 2.16 Forma de la partícula
  • 2.17 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 3 Relaciones peso-volumen y plasticidad - 3.1 Introducción - 3.2 Relaciones peso-volumen - y gravedad específica 3.3 Relaciones entre peso unitario, relación de vacíos, contenido de humedad - 3.4 Relaciones entre peso unitario, porosidad y contenido de humedad - 3.5 Densidad relativa - 3.6 Consistencia del suelo - 3.7 Actividad - 3.8 Índice de liquidez - 3.9 Carta de plasticidad
  • 3.10 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 4 Clasifi cación de suelos
  • 4.1 Introducción
  • 4.2 Sistema de clasificación AASHTO
  • 4.3 Sistema unificado de clasificación de suelo
  • 4.4 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 5 Compactación de suelos - 5.1 Introducción - 5.2 Principios generales de compactación - 5.3 Prueba Proctor estándar - 5.4 Factores que afectan la compactación - 5.5 Prueba Proctor modificada Contenido ix - 5.6 Relaciones empíricas - 5.7 Compactación en campo - 5.8 Especificaciones para la compactación en campo - 5.9 Determinación del peso unitario de campo después de la compactación
  • 5.10 Efecto de la compactación en las propiedades cohesivas del suelo
  • 5.11 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 6 Conductividad hidráulica - 6.1 Introducción - 6.2 Ecuación de Bernoulli - 6.3 Ley de Darcy - 6.4 Conductividad hidráulica - 6.5 Determinación de la conductividad hidráulica en laboratorio - 6.6 Relaciones empíricas para la conductividad hidráulica - 6.7 Conductividad hidráulica equivalente en suelos estratificados - 6.8 Pruebas de permeabilidad en campo por bombeo de pozos - 6.9 Resumen - Problemas - Referencias
• 7 Filtración - 7.1 Introducción - 7.2 Ecuación de continuidad de Laplace - 7.3 Redes de flujo - 7.4 Cálculo de la filtración a partir de una red de flujo - 7.5 Redes de flujo en un suelo anisotrópico - 7.6 Resumen - Problemas
• 8 Esfuerzos en una masa de suelo - 8.1 Introducción - Concepto de esfuerzo efectivo - 8.2 Esfuerzos en suelos saturados sin filtración x Contenido - 8.3 Esfuerzos en suelos saturados con filtración - 8.4 Fuerza de filtración - 8.5 Oscilaciones en suelos debidas al flujo en torno a pilotes - Aumento vertical del esfuerzo debido a distintos tipos de carga - 8.6 Esfuerzo causado por una carga puntual - 8.7 Esfuerzo vertical causado por una carga lineal - 8.8 Esfuerzo vertical bajo un área circular uniformemente cargada - 8.9 Esfuerzo vertical causado por un área rectangular cargada
  • 8.10 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 9 Consolidación - 9.1 Introducción - 9.2 Principios de consolidación - 9.3 Prueba de consolidación de laboratorio unidimensional - 9.4 Índice de vacíos-puntos de presión - 9.5 Arcillas normalmente consolidadas y sobreconsolidadas - 9.6 Efecto de las perturbaciones en la relación índice de vacíos-presión - 9.7 Cálculo de asentamiento a partir de una consolidación primaria en una dimensión - 9.8 Índice de compresión ( Cc ) e índice de abultamiento ( Cs ) - 9.9 Asentamiento a partir de la consolidación secundaria
  • 9.10 Tasa de consolidación
  • 9.11 Coeficiente de consolidación
  • 9.12 Cálculo de la consolidación primaria de un asentamiento bajo una cimentación
  • 9.13 Modificación Skempton-Bjerrum para asentamientos de consolidación
  • 9.14 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 10 Resistencia cortante del suelo
  • 10.1 Introducción
  • 10.2 Criterio de falla de Mohr-Coulomb
  • 10.3 Inclinación del plano de falla causado por cortante
  • Determinación en laboratorio de los parámetros de resistencia cortante
  • 10.4 Prueba de corte directo
    • 10.5 Prueba triaxial de corte Contenido xi
    • 10.6 Prueba consolidada-drenada
    • 10.7 Prueba consolidada-no drenada
    • 10.8 Prueba no consolidada-no drenada
    • 10.9 Prueba de compresión no confinada en arcilla saturada
  • 10.10 Sensitividad y tixotropía de las arcillas
  • 10.11 Anisotropía en el esfuerzo cortante no drenado
  • 10.12 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 11 Mejoramiento del suelo - 11.1 Introducción - Estabilización química - 11.2 Estabilización con cal - 11.3 Estabilización con cemento - 11.4 Estabilización con ceniza volante - Estabilización mecánica - 11.5 Vibroflotación - 11.6 Compactación dinámica - 11.7 Blasting - 11.8 Pre-compresión - 11.9 Drenes de arena
  • 11.10 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 12 Exploración del subsuelo - 12.1 Introducción - 12.2 Programa de exploración del subsuelo - 12.3 Perforaciones exploratorias en campo - 12.4 Procedimientos para muestrear el suelo - 12.5 Muestreo con tubo muestreador de media caña - 12.6 Muestreo con tubo de pared delgada - 12.7 Observación de los niveles de agua - 12.8 Prueba de corte con veleta - 12.9 Prueba de penetración de cono
  • 12.10 Prueba del presurímetro (PMT) xii Contenido
  • 12.11 Prueba del dilatómetro
  • 12.12 Extracción de núcleos de roca
  • 12.13 Preparación de los registros de perforación
  • 12.14 Exploración geofísica
  • 12.15 Informe de la exploración del suelo
  • 12.16 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 13 Estabilidad de taludes - 13.1 Introducción - 13.2 Factor de seguridad - 13.3 Estabilidad de taludes infinitos - 13.4 Taludes finitos - 13.5 Análisis de un talud fi nito con una superfi cie cilíndrica de falla general - falla cilíndrica) 13.6 Procedimiento de masa del análisis de estabilidad (superficie circular de - 13.7 Método de las dovelas o rebanadas - 13.8 Método de dovelas simplifi cado de Bishop - 13.9 Análisis de taludes simples con filtración estacionaria - sísmicas (suelo c ¿-f¿) 13.10 Procedimiento de masa de estabilidad de taludes arcillosos con fuerzas
  • 13.11 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 14 Presión lateral de tierra - 14.1 Introducción - 14.2 Presión de tierra en reposo - 14.3 Teoría de Rankine de las presiones activa y pasiva de la tierra - de los muros de contención 14.4 Diagramas para la distribución de la presión lateral de tierra en función - 14.5 Presión activa Rankine con relleno granular inclinado - 14.6 Teoría de Coulomb de la presión de tierra sobre muros de contención con fricción - 14.7 Presión pasiva suponiendo una superfi cie curva de falla en suelos - 14.8 Resumen - Problemas Contenido xiii - Referencias
• 15 Muros de contención y cortes apuntalados - 15.1 Introducción - Muros de contención - 15.2 Muros de contención en general - 15.3 Dosificación de los muros de contención - 15.4 Aplicación de las teorías de presión lateral de tierra al diseño - 15.5 Comprobación de vuelco - 15.6 Comprobación de deslizamiento a lo largo de la base - 15.7 Comprobación de la falla de capacidad de carga - Muros de contención de tierra mecánicamente estabilizados - 15.8 Tierra mecánicamente estabilizada - 15.9 Consideraciones generales de diseño
  • 15.10 Muros de contención reforzados con varilla
  • 15.11 Procedimiento de diseño paso a paso utilizando tiras metálicas de refuerzo
  • 15.12 Muros de contención con refuerzo geotextil
  • 15.13 Muros de contención reforzados con geomalla
    • Cortes apuntalados
  • 15.14 Cortes apuntalados en general
  • 15.15 Presión lateral de tierra sobre cortes apuntalados
  • 15.16 Parámetros del suelo para cortes en suelos estratificados
  • 15.17 Diseño de varios componentes de un corte apuntalado
  • 15.18 Levantamiento del fondo de un corte en arcilla
  • 15.19 Flexibilidad lateral de los pilotes y asentamiento del terreno
  • 15.20 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 16 Cimentaciones poco profundas: capacidad de carga - 16.1 Introducción - 16.2 Capacidad última de carga de cimentaciones poco profundas: conceptos generales - 16.3 Teoría de Terzaghi de la capacidad última de carga - 16.4 Modificación de la ecuación de capacidad de carga de Terzaghi - 16.5 Modificación de las ecuaciones de capacidad de carga para el nivel freático - 16.6 El factor de seguridad xiv Contenido - 16.7 Cimentaciones cargadas excéntricamente - cimentaciones continuas en un suelo granular 16.8 Método del factor de reducción de la excentricidad de carga sobre - 16.9 Cimentaciones con excentricidad bidireccional
  • 16.10 Losas de cimentación: tipos comunes
  • 16.11 Capacidad de carga de una malla de cimentación
  • 16.12 Cimentaciones compensadas
  • 16.13 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 17 Asentamiento de cimentaciones poco profundas - 17.1 Introducción - 17.2 Asentamiento elástico de cimentaciones en suelo de arcilla saturada (m s  0.5) - 17.3 Asentamiento elástico basado en la teoría de la elasticidad - 17.4 Rango de parámetros de los materiales para el cálculo del asentamiento elástico - unitaria 17.5 Asentamiento de suelo arenoso: uso del factor de influencia de la deformación - 17.6 Carga admisible para zapatas continuas en arena considerando el asentamiento - 17.7 Presión de carga admisible de una losa de cimentación en arena - 17.8 Resumen - Problemas - Referencias
• 18 Pilotes de cimentación - 18.1 Introducción - 18.2 Necesidad de los pilotes de cimentación - 18.3 Tipos de pilotes y sus características estructurales - 18.4 Estimación de la longitud de un pilote - 18.5 Instalación de pilotes - 18.6 Mecanismo de transferencia de carga - 18.7 Ecuaciones para la estimación de la capacidad del pilote - 18.8 Método de Meyerhof para el cálculo de qp - 18.9 Resistencia a la fricción, Q s
  • 18.10 Capacidad admisible del pilote
  • 18.11 Capacidad de carga de la punta de un pilote apoyado sobre roca
  • 18.12 Asentamiento elástico de pilotes
  • 18.13 Pruebas de carga de pilote Contenido xv
  • 18.14 Fórmulas para la colocación de pilotes
  • 18.15 Fricción superficial negativa
  • 18.16 Pilotes agrupados: eficiencia
  • 18.17 Asentamiento elástico de un grupo de pilotes
  • 18.18 Asentamiento de consolidación de un grupo de pilotes
  • 18.19 Resumen
  • Problemas
  • Referencias
• 19 Pozos perforados - 19.1 Introducción - 19.2 Tipos de pozos perforados - 19.3 Procedimientos de construcción - 19.4 Estimación de la capacidad de soporte de carga - 19.5 Pozos perforados en arena: carga última neta - 19.6 Pozos perforados en arcilla: carga última neta - 19.7 Asentamiento de pozos perforados - 19.8 Capacidad de soporte de carga basada en el asentamiento - 19.9 Resumen - Problemas - Referencias
• Apéndice: Geosintéticos
• Respuestas a problemas seleccionados
• Índice

(^2) Capítulo 1: Ingeniería geotécnica: desde el principio

(Kerisel, 1985). La antigua civilización griega utilizó zapatas aisladas y cimientos de madera para la construcción de estructuras. Alrededor del año 2700 a.C. se construyeron varias pirámi- des en Egipto, la mayoría de las cuales fueron construidas como tumbas para los faraones del país y sus consortes durante los periodos del Imperio Antiguo y Medio. La tabla 1.1 enumera algunas de las principales pirámides identificadas por el faraón que ordenó su construcción. A partir de 2008 se han descubierto un total de 138 pirámides en Egipto. La figura 1.1 muestra una vista de las pirámides de Giza. La construcción de las pirámides plantea desafíos formidables sobre cimentaciones, estabilidad de taludes y la construcción de cámaras subterráneas. Con la llegada del budismo a China durante la dinastía Han del Este en el 68 d.C. se construyeron miles de pagodas. Muchas de estas estructuras fueron construidas con limo y blandas capas de arcilla. En algunos casos la presión de base excede la capacidad de soporte de carga del suelo y con ello causó grandes daños estructurales. Uno de los ejemplos más famosos de los problemas relacionados con la capacidad de soporte del suelo en la construcción de estructuras anteriores al siglo XVIII es la Torre de Pisa

Las pirámides más grandes de Egipto Pirámide/Faraón Localización Reinado del faraón

Tabla 1.

Dj oser Saqqara 2630 – 2612 a .C. Sn eferu Dashur(Norte) 2612 – 2589 a .C. Sn eferu Dashur(Sur) 2612 – 2589 a .C. Sn eferu Meidum 2612 – 2589 a .C. Kh ufu Giza 2589 – 2566 a .C. Dj edefre AbuRawash 2566 – 2558 a .C. Kh afre Giza 2558 – 2532 a .C. Me nkaure Giza 2532 – 2504 a .C.

Figura 1.1 Vista de las pirámides de Giza (Cortesía de Braja M. Das, Henderson, Nevada)

1.2 La ingeniería geotécnica antes del siglo XVIII 3

en Italia (figura 1.2). La construcción de la torre comenzó en 1173 d.C., cuando la República de Pisa era próspera, y continuó en varias etapas durante más de 200 años. La estructura pesa alrededor de 15 700 toneladas métricas y está soportada por una base circular que tiene un diámetro de 20 m. La torre se ha inclinado en el pasado hacia el este, norte, oeste y, por último, hacia el sur. Investigaciones recientes mostraron que existe una capa de arcilla débil a una pro- fundidad de aproximadamente 11 m, la compresión ha provocado que la torre se incline. Se ha desviado más de 5 m de la alineación con la altura de 54 m. La torre fue cerrada en 1990 porque se temía que iba a caer o colapsar. Recientemente se ha estabilizado mediante la excavación del suelo de la parte norte de la torre. Se retiraron alrededor de 70 toneladas métricas de tierra en 41 extracciones por separado que extendieron el ancho de la torre. A medida que el suelo se asentó gradualmente para llenar el espacio resultante, la inclinación de la torre disminuyó. La torre ahora está inclinada 5 grados. El cambio en medio grado no es perceptible, pero hace a la estructura considerablemente más estable. La figura 1.3 es un ejemplo de un problema similar. Las torres mostradas en la figura 1.3 se encuentran en Bolonia, Italia, y fueron construidas en el

Figura 1.2 Torre inclinada de Pisa, Italia (Cortesía de Braja M. Das, Henderson, Nevada)

1.4 Mecánica de suelos Clásica-Fase I (1776-1856) 5

3. Mecánica de suelos: periodo Clásico-Fase II (1856 a 1910)
4. Mecánica de suelos moderna (1910 a 1927) A continuación se analizan descripciones breves de algunos desarrollos importantes du- rante cada uno de estos periodos.

1.3 Periodo Preclásico de la mecánica

de suelos (1700-1776)

Este periodo se concentró en los estudios relativos a la pendiente natural y pesos unitarios de diversos tipos de suelos, así como las teorías de empuje semiempíricas. En 1717, un ingeniero real francés, Henri Gautier (1660-1737), estudió la pendiente natural de los suelos cuando se inclinó sobre una pila para formular los procedimientos de diseño de muros de contención. La pendiente natural es lo que hoy conocemos como el ángulo de reposo. Según este estudio, la pendiente natural de la arena seca limpia y la tierra común fueron de 31° y 45°, respectiva- mente. Además, los pesos unitarios de la arena seca limpia y la tierra común fueron recomen- dados para ser 18.1 kN/m^3 y 13.4 kN/m^3 , respectivamente. No se informó de los resultados de pruebas en arcilla. En 1729, Bernard Forest de Belidor (1694-1761) publicó un libro de texto para los ingenieros militares y civiles en Francia. En el libro propuso una teoría para la presión lateral de la tierra sobre los muros de contención que fue un seguimiento al estudio original de Gautier (1717). También especifica un sistema de clasificación de suelos de la manera mostrada en la siguiente tabla.

Peso unitario Clasificación kN/m^3 Roca — Arena firme o dura 16. 7 a

18. 4

Arena compresible Tierra común (como la que se encuentra en lugares secos) Tierra suave (limo primario) 16. 0 Arcilla 18. 9 Turba —

Los primeros resultados de las pruebas de un modelo de laboratorio sobre un muro de contención de 76 mm de altura construido con relleno de arena fueron reportados en 1746 por un ingeniero francés, Francois Gadroy (1705-1759), quien observó la existencia de planos de deslizamiento en el suelo como una falla. El estudio de Gadroy fue resumido más tarde por J. J. Mayniel en 1808. Otra contribución notable durante este periodo fue la del ingeniero fran- cés Jean Rodolphe Perronet (1708-1794), quien estudió la estabilidad de taludes alrededor del año 1769 y distinguió entre la tierra intacta y saturada.

1.4 Mecánica de suelos Clásica-Fase I (1776-1856)

Durante este periodo, la mayor parte de los desarrollos en el área de la ingeniería geotécnica vino de ingenieros y científicos en Francia. En el periodo Preclásico prácticamente todas las consideraciones teóricas utilizadas en el cálculo de la presión lateral de la tierra sobre los muros de contención se basaban en una superficie de falla apoyada arbitrariamente en el suelo. En su

(^6) Capítulo 1: Ingeniería geotécnica: desde el principio

famoso trabajo presentado en 1776, el científico francés Charles Augustin de Coulomb (1736-

1806. utilizó los principios de cálculo de máximos y mínimos para determinar la verdadera posición de la superficie de deslizamiento en el suelo detrás de un muro de contención. En este análisis Coulomb utiliza las leyes de la fricción y la cohesión de los cuerpos sólidos. En 1790, el distinguido ingeniero civil francés Gaspard Marie Claire Riche de Brony (1755-1839) incluye la teoría de Coulomb en su libro de texto más importante, Nouvelle Arquitectura Hydraulique (vol. 1). En 1820, los casos especiales de trabajo de Coulomb fueron estudiados por el ingeniero francés Jacques Frederic Francais (1775-1833) y por el profesor de mecánica aplicada francés Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836); estos casos especiales relacionados con relle- nos y rellenos de apoyo con recargo inclinados. En 1840, Jean Victor Poncelet (1788-1867), un ingeniero del ejército y profesor de mecánica, extendió la teoría de Coulomb, proporcionando un método gráfico para determinar la magnitud de la presión lateral de la tierra en las paredes de retención verticales e inclinadas con superficies poligonales de tierra arbitrariamente rotas. Poncelet fue también el primero en utilizar el símbolo f para el ángulo de fricción del suelo. Él también proporcionó la primera teoría sobre cojinetes de capacidad extrema en cimentaciones superficiales. En 1846, el ingeniero Alexandre Collin (1808-1890) proporcionó los detalles de deslizamientos profundos en las laderas de arcilla, cortes y terraplenes. Collin teorizaba que, en todos los casos, la falla se lleva a cabo cuando la cohesión movilizada excede la cohesión existente del suelo. También observó que las superficies reales de fallo pueden ser aproximadas como arcos de cicloides. El fi nal de la primera fase del periodo Clásico de la mecánica de suelos está generalmen- te marcada por el año (1857) de la primera publicación de William John Macquorn Rankine (1820-1872), profesor de ingeniería civil en la Universidad de Glasgow. Este estudio proporcio- na una teoría notable sobre el empuje y el equilibrio de las masas de tierra. La teoría de Rankine es una simplifi cación de la teoría de Coulomb.

1.5 Mecánica de suelos Clásica-Fase II (1856-1910)

Varios resultados experimentales de las pruebas de laboratorio en la arena aparecieron en la literatura en esta fase. Una de las publicaciones iniciales y más importante es la del ingeniero francés Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1858). En 1856 publicó un estudio sobre la per- meabilidad de los filtros de arena. En base a dichas pruebas Darcy define el término de coefi- ciente de permeabilidad (o conductividad hidráulica) del suelo, un parámetro muy útil en la ingeniería geotécnica hasta hoy día. Sir George Howard Darwin (1845-1912), profesor de astronomía, llevó a cabo pruebas de laboratorio para determinar el momento de vuelco en una pared de arena con bisagras de retención en los estados suelto y denso de la compactación. Otra contribución notable, que fue publicada en 1885 por Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929), fue el desarrollo de la teoría de la distribución de tensiones bajo las áreas de rodamientos cargados en un medio homogéneo, semiinfinito, elástico e isótropo. En 1887, Osborne Reynolds (1842-1912) demostró el fenóme- no de dilatancia en la arena. Otros estudios notables durante este periodo son aquellos hechos por John Clibborn (1847-1938) y John Stuart Beresford (1845-1925) en relación con el flujo de agua a través del lecho de arena y la presión de elevación. El estudio de Clibborn se publicó en el Tratado de ingeniería civil, vol. 2: Trabajo de riego en la India , Roorkee, 1901, y también en el Documento Técnico núm. 97 del Gobierno de la India, 1902. El estudio de Beresford de 1898 sobre la elevación de la presión en el Narora Weir en el río Ganges se ha documentado en el Documento Técnico núm. 97 del Gobierno de la India, 1902.